十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，涉及超聲波換能器領(lǐng)域，包括徑向輻射殼體、錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)、十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊、四組壓電陶瓷晶堆和四個(gè)外質(zhì)量塊；質(zhì)量塊包括四塊組成部；組成部的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)圓柱孔和兩個(gè)錐形孔；膨脹結(jié)構(gòu)包括固定裝置和兩個(gè)錐形膨脹體；膨脹體插裝在錐形孔內(nèi)；壓電陶瓷晶堆由電極片和偶數(shù)片壓電陶瓷晶片疊放而成，內(nèi)層的電極片與組成部的外側(cè)面抵接，外層的電極片與外質(zhì)量塊的內(nèi)端面抵接；四個(gè)外質(zhì)量塊的另一端與徑向輻射殼體的內(nèi)壁抵接。本申請解決了現(xiàn)有技術(shù)中的超聲換能器存在聲場“盲區(qū)”和“駐波特性”，徑向超聲輻射強(qiáng)度較弱的技術(shù)問題。
【專利說明】
十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及超聲波換能器領(lǐng)域，尤其是涉及一種十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波換能器的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率(即超聲波)再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。
[0003]在功率超聲及水聲技術(shù)領(lǐng)域，夾心式縱向振動(dòng)壓電超聲換能器應(yīng)用最為廣泛。該換能器是由法國科學(xué)家郎之萬實(shí)用新型的，具有結(jié)構(gòu)簡單、功率容量較大和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展以及超聲技術(shù)的廣泛應(yīng)用，超聲在許多新技術(shù)領(lǐng)域(如超聲中草藥萃取、超聲污水處理、超聲采油以及超聲化學(xué)反應(yīng)等)獲得了重要的應(yīng)用。
[0004]在這些新技術(shù)領(lǐng)域，對超聲換能器的輻射功率及聲波作用范圍提出了更高的要求:大功率、高效率和全方位超聲輻射。對于現(xiàn)有的夾心式縱向振動(dòng)壓電超聲換能器，由于其自身的理論及結(jié)構(gòu)的限制，單個(gè)夾心式縱向振動(dòng)壓電超聲換能器存在著功率容量有限、超聲作用方向單一、超聲輻射面積有限等不足之處，因此難以滿足新的超聲技術(shù)中所要求的大功率、全方位超聲輻射的特性。目前，為了改善單個(gè)夾心式縱向振動(dòng)壓電超聲換能器的不足之處，已發(fā)展起來以下幾類超聲換能器。
[0005](I)陣列式超聲換能器。通過在容器底部或四周粘接一列或多列夾心式縱向振動(dòng)壓電超聲換能器組成陣列聲源向液體中輻射聲波。陣列式聲源雖然可以解決單個(gè)夾心式換能器存在的超聲作用面積和功率量有限及聲波輻射方向單一等不足之處，但是由于縱向換能器振子輻射面是平面，其輻射聲場指向性強(qiáng)，通常存在聲場“盲區(qū)”，這也是制約該類換能器液體超聲處理效能的“瓶頸”。
[0006](2 )push_pul I換能器。其工作原理是通過兩個(gè)親合在一個(gè)金屬圓管兩端的夾心式縱向壓電換能器的縱振動(dòng)，對圓管產(chǎn)生縱向推拉作用并在圓管徑向產(chǎn)生聲能輻射。從push-pull 換能器的幾何尺寸和聲波輻射特性來看，該類換能器的振動(dòng)屬于夾心式縱向壓電換能器的縱振動(dòng)激勵(lì)金屬圓管的高階縱向振動(dòng)，在圓管的高階縱向振動(dòng)模式下由于泊松效應(yīng)產(chǎn)生徑向耦合振動(dòng)。因此，雖然該類換能器可解決單個(gè)夾心式縱向振動(dòng)壓電超聲換能器存在的超聲作用方向單一、超聲輻射面積有限等不足之處，但是由于該類換能器在工作時(shí)系統(tǒng)的主振方向仍在縱向，存在由泊松效應(yīng)產(chǎn)生的徑向耦合振動(dòng)相對較弱及徑向超聲輻射強(qiáng)度亦較弱的不足之處。此外，由于金屬圓管工作于高階縱振模態(tài)，其輻射聲場沿縱向有較明顯的“駐波特性”。
[0007]基于此，本實(shí)用新型提供了一種十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器以解決上述的技術(shù)問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型的目的在于提供一種十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的陣列式超聲換能器存在聲場“盲區(qū)”，而push-pull換能器徑向超聲福射強(qiáng)度較弱、輻射聲場沿縱向有較明顯的“駐波特性”的技術(shù)問題。
[0009]在本實(shí)用新型的實(shí)施例中提供了一種十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器包括十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源和圓筒狀的徑向輻射殼體;所述徑向輻射殼體套裝在所述十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源外部；
[0010]所述十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源包括錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)、十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊、四組結(jié)構(gòu)相同的壓電陶瓷晶堆和四個(gè)形狀相同的外質(zhì)量塊；
[0011]所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊包括四塊形狀相同的組成部，四塊所述組成部中心對稱放置；四組所述壓電陶瓷晶堆圍繞所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊的中心軸中心對稱放置;四個(gè)所述外質(zhì)量塊圍繞所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊的中心軸中心對稱放置；
[0012]四個(gè)所述組成部的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)圓柱孔和兩個(gè)相同的錐形孔;兩個(gè)所述錐形孔的小端分別與所述圓柱孔貫通；
[0013]所述錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)包括固定裝置和兩個(gè)形狀相同的錐形膨脹體;兩個(gè)所述錐形膨脹體通過所述固定裝置分別固定插裝在兩個(gè)所述錐形孔內(nèi)；
[0014]每組所述壓電陶瓷晶堆均由偶數(shù)片形狀相同的壓電陶瓷晶片疊放而成，相鄰的兩片所述壓電陶瓷晶片之間均安裝有金屬電極片，位于兩端的所述壓電陶瓷晶片的外側(cè)也分別安裝有所述金屬電極片;相鄰的所述電極片連接極性相反的電極；
[0015]四個(gè)所述組成部的外側(cè)面均為平面，四個(gè)所述外質(zhì)量塊的內(nèi)端面均為平面;每個(gè)所述壓電陶瓷晶堆一端的所述電極片與其中一塊所述組成部的外側(cè)面抵接，另一端的所述電極片與其中一個(gè)所述外質(zhì)量塊的內(nèi)端面抵接；
[0016]四個(gè)所述外質(zhì)量塊的另一端與所述徑向輻射殼體的內(nèi)壁抵接。
[0017]可選的，所述固定裝置為預(yù)應(yīng)力螺栓，所述預(yù)應(yīng)力螺栓包括雙頭螺桿和兩個(gè)螺帽，所述雙頭螺桿插裝在所述圓柱孔內(nèi)；
[0018]兩個(gè)所述錐形膨脹體分別設(shè)置有中心孔，兩個(gè)所述錐形膨脹體通過所述中心孔分別套裝在所述雙頭螺桿上；
[0019]兩個(gè)所述螺帽分別與所述雙頭螺桿的兩端螺接。
[0020]可選的，四塊所述組成部通過四個(gè)相同的連接件順次連接，四個(gè)所述連接件呈中心對稱放置。
[0021 ]可選的，所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊一體成型。
[0022]可選的，所述壓電陶瓷晶片為圓形。
[0023]可選的，所述電極片包括電極部和連接部，所述連接部與所述電極部固接，所述連接部用于與電源連接;所述電極部為與所述壓電陶瓷晶片外形相同的圓形，所述電極部與所述壓電陶瓷晶片重合疊放。
[0024]可選的，四個(gè)所述外質(zhì)量塊與所述徑向輻射殼體一體化成型。
[0025]可選的，所述徑向輻射殼體兩端還分別固接有防水密封蓋。
[0026]可選的，兩個(gè)所述防水密封蓋與所述徑向輻射殼體通過螺釘連接。
[0027]可選的，兩個(gè)所述防水密封蓋與所述徑向輻射殼體之間分別設(shè)置有密封圈。
[0028]本實(shí)用新型提供的所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，根據(jù)其振動(dòng)模式分為兩種類型:一種是受迫振動(dòng)復(fù)合型;另一種是同頻共振復(fù)合型。
[0029]對于受迫振動(dòng)復(fù)合型，其工作原理是換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源設(shè)計(jì)在正交縱向共振模式下工作，接通電源，調(diào)節(jié)電源的頻率及匹配條件，當(dāng)電源的激勵(lì)頻率與換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的相應(yīng)階次的縱向共振頻率一致時(shí)，十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源將沿其正交方向作擴(kuò)張和收縮的交變縱向振動(dòng)并直接驅(qū)動(dòng)徑向輻射殼體作受迫復(fù)合振動(dòng)，從而向輻射殼體的徑向輻射聲波。
[0030]對于同頻共振復(fù)合型，其工作原理是換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的正交縱向共振頻率設(shè)計(jì)的與其外部輻射殼體的徑向共振頻率相同。接通電源，調(diào)節(jié)電源的頻率及匹配條件，當(dāng)電源的激勵(lì)頻率與換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的縱向共振頻率及外部的輻射殼體的徑向共振頻率一致時(shí)，內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的縱向振動(dòng)沿輻射殼體的徑向方向激發(fā)外部輻射殼體的徑向振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外兩部分之間的縱徑復(fù)合同頻共振并向輻射殼體的徑向輻射聲波。
[0031]壓電陶瓷具有以下特點(diǎn):當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)壓電陶瓷受到外力的作用而變形時(shí)，它的兩個(gè)相對電極面上產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷。利用這一原理，便可以將壓電陶瓷用作超聲波換能器。本實(shí)用新型提供的所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，利用壓電陶瓷的特點(diǎn)，產(chǎn)生超聲波。通過錐形膨脹體插入錐形孔，使中心的四個(gè)所述組成部向外膨脹，給予壓電陶瓷晶片一個(gè)向外的預(yù)應(yīng)力。而位于外側(cè)的四個(gè)所述外質(zhì)量塊在徑向輻射殼體的作用下給予壓電陶瓷晶片一個(gè)向內(nèi)的預(yù)應(yīng)力，徑向輻射殼體采用金屬材料，剛度較大，能夠提供足夠的預(yù)應(yīng)力。這樣相當(dāng)于形成了類似傳統(tǒng)的兩組夾心式壓電換能器的十字正交復(fù)合。錐形膨脹體插入的深度決定了預(yù)應(yīng)力的大小。過大的預(yù)應(yīng)力使壓電陶瓷晶片壓得太緊，從而抑制其振動(dòng)。過小的預(yù)應(yīng)力容易使壓電陶瓷晶片壓得太松，間隙過大，容易被震碎。因而需要一個(gè)合適的預(yù)應(yīng)力范圍，即合適的插入深度，這個(gè)插入深度由設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)學(xué)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)確定，本申請通過插入深度的不同，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力可調(diào)，適用于不同的情形，可調(diào)節(jié)至合適的預(yù)應(yīng)力。
[0032]本實(shí)用新型提供的所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，整體結(jié)構(gòu)呈中心對稱，向周圍輻射超聲波很均勻，不存在聲場“盲區(qū)”，通過四組壓電陶瓷晶堆產(chǎn)生超聲波，利用壓電陶瓷晶堆的縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)管形的徑向輻射殼體的徑向振動(dòng)。采用傳統(tǒng)夾心式壓電換能器的結(jié)構(gòu)簡單、功率容量大的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了改善現(xiàn)有的徑向復(fù)合管形換能器的結(jié)構(gòu)和提高其功率容量的目的，徑向超聲輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，不存在縱向的“駐波特性”。
[0033]采用錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)，協(xié)同外部管形殼體對內(nèi)部的四組壓電陶瓷晶堆施加內(nèi)外雙向的預(yù)應(yīng)力，大幅提高了管形換能器的功率密度。同時(shí)，擴(kuò)張式預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)也增強(qiáng)了該正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器的徑向剛度。設(shè)置位于外部的外質(zhì)量塊給予壓電陶瓷晶片向內(nèi)的預(yù)應(yīng)力，固定效果比較好，提高了整個(gè)裝置的剛度，進(jìn)而提高了整個(gè)換能器的整體震動(dòng)性能。使之還可應(yīng)用于高壓強(qiáng)環(huán)境，如用作深井采油聲發(fā)射換能器、深海中水聲發(fā)射換能器等，擴(kuò)充了其應(yīng)用范圍。此外，由于本申請的內(nèi)部的壓電陶瓷晶堆的預(yù)應(yīng)力是由錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)協(xié)同外部管形殼體施加，從而省去了傳統(tǒng)的夾心式壓電換能器的中心預(yù)應(yīng)力螺栓，故其壓電晶堆可用一整片壓電陶瓷晶片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的夾心式壓電換能器所用的壓電圓環(huán)。因此，本申請采用壓電陶瓷晶片組成的壓電晶堆較之傳統(tǒng)的夾心式壓電換能器由圓環(huán)形壓電陶瓷晶片組成的壓電陶瓷晶堆具有更大的體積，從而進(jìn)一步增大了換能器的功率容量。功率越大，徑向超聲輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，同時(shí)也不存在縱向的“駐波特性”。
[0034]基于此，本申請利用壓電陶瓷晶堆的縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)管形的徑向輻射殼體的徑向振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換能器的大功率工作和徑向全方位聲波輻射，不存在聲場“盲區(qū)”和縱向的“駐波特性”。本申請具有功率大、效率高、徑向全方位輻射聲波及換能器的預(yù)應(yīng)力可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于超聲采油、水聲發(fā)射換能器、超聲清洗、超聲提取、超聲乳化、超聲粉碎和超聲化學(xué)液體處理等技術(shù)領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0035]為了更清楚地說明本實(shí)用新型【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見的，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0036]圖1為實(shí)施例十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2為實(shí)施例十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器的剖視圖；
[0038]圖3為實(shí)施例十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖4為實(shí)施例預(yù)應(yīng)力螺栓和十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊匹配的爆炸示意圖；
[0040]圖5為十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊的俯視圖；
[0041]圖6為十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊的A向剖視圖；
[0042]圖7為實(shí)施例壓電陶瓷晶堆的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖8為實(shí)施例壓電陶瓷晶堆的主視圖。
[0044]附圖標(biāo)記:
[0045]1-徑向輻射殼體；2-錐形預(yù)應(yīng)力彈 3-十字形正交復(fù)合中
性膨脹結(jié)構(gòu)；心質(zhì)量塊；
[0046]4-壓電陶瓷晶堆； 5-外質(zhì)量塊；6-圓柱孔；
[0047]7-錐形孔；8-錐形膨脹體；9-雙頭螺桿；
[0048]10-螺帽；11-中心孔；12-壓電陶瓷晶片；
[0049]13-電極片；14-防水密封蓋；31-組成部。
【具體實(shí)施方式】
[0050]下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0051]在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實(shí)用新型的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0052]在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體的連接;可以是機(jī)械連接，也可以是電焊連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實(shí)用新型中的具體含義。
[0053]實(shí)施例一
[0054]如圖1-8所示，在本實(shí)施例中提供了一種十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器包括十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源和圓筒狀的徑向輻射殼體I;所述徑向輻射殼體I套裝在所述十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源外部；
[0055]所述十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源包括錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)2、十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊3、四組結(jié)構(gòu)相同的壓電陶瓷晶堆4和四個(gè)形狀相同的外質(zhì)量塊5;
[0056]所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊3包括四塊形狀相同的組成部31，四塊所述組成部31中心對稱放置；四組所述壓電陶瓷晶堆4圍繞所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊3的中心軸中心對稱放置;四個(gè)所述外質(zhì)量塊5圍繞所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊3的中心軸中心對稱放置；
[0057]四個(gè)所述組成部31的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)圓柱孔6和兩個(gè)相同的錐形孔7;兩個(gè)所述錐形孔7的小端分別與所述圓柱孔6貫通；
[0058]所述錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)2包括固定裝置和兩個(gè)形狀相同的錐形膨脹體8;兩個(gè)所述錐形膨脹體8通過所述固定裝置分別固定插裝在兩個(gè)所述錐形孔7內(nèi)；
[0059]每組所述壓電陶瓷晶堆4均由偶數(shù)片形狀相同的壓電陶瓷晶片12疊放而成，相鄰的兩片所述壓電陶瓷晶片12之間均安裝有金屬電極片13，位于兩端的所述壓電陶瓷晶片12的外側(cè)也分別安裝有所述金屬電極片13;相鄰的所述電極片13連接極性相反的電極;在本實(shí)施例中，每組壓電陶瓷晶堆4包括四片圓盤形壓電陶瓷晶片，為方便理解，圖中分別標(biāo)為12a、12b、12c和12d。在相鄰兩片壓電陶瓷晶片之間和壓電陶瓷晶片12a、12d的外側(cè)分別安裝有電極片，為方便表述，在圖中分別標(biāo)為13&、1315、130、13(1和136。電極片13&、130和136接電源的負(fù)極，電極片13b和13d接電源正極。
[0060]四個(gè)所述組成部31的外側(cè)面均為平面，四個(gè)所述外質(zhì)量塊5的內(nèi)端面均為平面;每個(gè)所述壓電陶瓷晶堆一端的所述電極片(13a)與其中一塊所述組成部31的外側(cè)面抵接，另一端的所述電極片(13e)與其中一個(gè)所述外質(zhì)量塊5的內(nèi)端面抵接；
[0061]四個(gè)所述外質(zhì)量塊5的另一端與所述徑向輻射殼體I的內(nèi)壁抵接。
[0062]本實(shí)用新型提供的所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，根據(jù)其振動(dòng)模式分為兩種類型:一種是受迫振動(dòng)復(fù)合型;另一種是同頻共振復(fù)合型。
[0063]對于受迫振動(dòng)復(fù)合型，其工作原理是換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源設(shè)計(jì)在正交縱向共振模式下工作，接通電源，調(diào)節(jié)電源的頻率及匹配條件，當(dāng)電源的激勵(lì)頻率與換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的相應(yīng)階次的縱向共振頻率一致時(shí)，十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源將沿其正交方向作擴(kuò)張和收縮的交變縱向振動(dòng)并直接驅(qū)動(dòng)徑向輻射殼體I作受迫復(fù)合振動(dòng)，從而向輻射殼體的徑向輻射聲波。
[0064]對于同頻共振復(fù)合型，其工作原理是換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的正交縱向共振頻率設(shè)計(jì)的與其外部輻射殼體的徑向共振頻率相同。接通電源，調(diào)節(jié)電源的頻率及匹配條件，當(dāng)電源的激勵(lì)頻率與換能器內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的縱向共振頻率及外部的輻射殼體的徑向共振頻率一致時(shí)，內(nèi)部的十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源的縱向振動(dòng)沿輻射殼體的徑向方向激發(fā)外部輻射殼體的徑向振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外兩部分之間的縱徑復(fù)合同頻共振并向輻射殼體的徑向輻射聲波。
[0065]本實(shí)用新型提供的所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，利用壓電陶瓷的特點(diǎn)產(chǎn)生超聲波。通過錐形膨脹體8插入錐形孔7，使中心的四個(gè)所述組成部31向外膨脹，給予壓電陶瓷晶片12—個(gè)向外的預(yù)應(yīng)力。而位于外側(cè)的四個(gè)所述外質(zhì)量塊5在徑向輻射殼體I的作用下給予壓電陶瓷晶片12—個(gè)向內(nèi)的預(yù)應(yīng)力。這樣相當(dāng)于形成了類似傳統(tǒng)的兩組夾心式壓電換能器的十字正交復(fù)合。錐形膨脹體8插入的深度決定了預(yù)應(yīng)力的大小。過大的預(yù)應(yīng)力使壓電陶瓷晶片12壓得太緊，從而抑制其振動(dòng)。過小的預(yù)應(yīng)力容易使壓電陶瓷晶片12壓得太松，間隙過大，容易被震碎。因而需要一個(gè)合適的預(yù)應(yīng)力范圍，即合適的插入深度，這個(gè)插入深度由設(shè)計(jì)時(shí)的數(shù)學(xué)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)確定，本申請通過插入深度的不同，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力可調(diào)，適用于不同的情形，可調(diào)節(jié)至合適的預(yù)應(yīng)力。
[0066]本實(shí)用新型提供的所述十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，整體結(jié)構(gòu)呈中心對稱，向周圍輻射超聲波很均勻，不存在聲場“盲區(qū)”。通過四組壓電陶瓷晶堆4產(chǎn)生超聲波，利用壓電陶瓷晶堆4的縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)管形的徑向輻射殼體I的徑向振動(dòng)。利用傳統(tǒng)夾心式壓電換能器的結(jié)構(gòu)簡單、功率容量大的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了改善現(xiàn)有的徑向復(fù)合管形換能器的結(jié)構(gòu)和提高其功率容量的目的。本申請徑向超聲輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，不存在縱向的“駐波特性”。
[0067]采用錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)2，協(xié)同外部管形殼體對內(nèi)部的四組壓電陶瓷晶堆4施加內(nèi)外雙向的預(yù)應(yīng)力，大幅提高了管形換能器的功率密度。同時(shí)，擴(kuò)張式預(yù)應(yīng)力機(jī)構(gòu)也增強(qiáng)了該正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器的徑向剛度，設(shè)置位于外部的外質(zhì)量塊5給予壓電陶瓷晶片12預(yù)應(yīng)力，固定效果比較好，提高了整個(gè)裝置的剛度，進(jìn)而提高了整個(gè)換能器的整體振動(dòng)性能。使之還可應(yīng)用于高壓強(qiáng)環(huán)境，如用作深井采油聲發(fā)射換能器、深海中水聲發(fā)射換能器等，擴(kuò)充了其應(yīng)用范圍。此外，由于本申請的內(nèi)部的壓電陶瓷晶堆4的預(yù)應(yīng)力是由錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)2協(xié)同外部管形殼體施加，從而省去了傳統(tǒng)的夾心式壓電換能器的中心預(yù)應(yīng)力螺栓，故其壓電晶堆可用一整片壓電陶瓷晶片12代替?zhèn)鹘y(tǒng)的夾心式壓電換能器所用的壓電圓環(huán)。因此，本申請采用陶瓷晶片組成的壓電晶堆較之傳統(tǒng)的夾心式壓電換能器由圓環(huán)形壓電陶瓷晶片組成的壓電陶瓷晶堆4具有更大的體積，從而進(jìn)一步增大了換能器的功率容量。功率越大，徑向超聲輻射強(qiáng)度越強(qiáng)，同時(shí)也不存在縱向的“駐波特性”。
[0068]基于此，本申請利用壓電陶瓷晶堆4的縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)管形的徑向輻射殼體I的徑向振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換能器的大功率工作和徑向全方位聲波輻射，不存在聲場“盲區(qū)”和縱向的“駐波特性”。本申請具有功率大、效率高、徑向全方位發(fā)射聲波及換能器的預(yù)應(yīng)力可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于超聲采油、水聲發(fā)射換能器、超聲清洗、超聲提取、超聲乳化、超聲粉碎和超聲化學(xué)液體處理等技術(shù)領(lǐng)域。
[0069]如圖1-6，本實(shí)施例的可選方案中，所述固定裝置為預(yù)應(yīng)力螺栓，所述預(yù)應(yīng)力螺栓包括雙頭螺桿9和兩個(gè)螺帽10，所述雙頭螺桿9插裝在所述圓柱孔6內(nèi)；
[0070]兩個(gè)所述錐形膨脹體8分別設(shè)置有中心孔11，兩個(gè)所述錐形膨脹體8通過所述中心孔11分別套裝在所述雙頭螺桿9上；
[0071 ]兩個(gè)所述螺帽10分別與所述雙頭螺桿9的兩端螺接。
[0072]如此設(shè)置，通過順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩端的兩個(gè)所述螺帽10，調(diào)節(jié)兩個(gè)所述錐形膨脹體8插入兩個(gè)所述錐形孔7內(nèi)的深度，從而調(diào)節(jié)每組所述壓電陶瓷晶堆4受到的預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便。
[0073]本實(shí)施例的可選方案中，四塊所述組成部31通過四個(gè)相同的連接件順次連接，四個(gè)所述連接件呈中心對稱放置。
[0074]將四個(gè)所述組成部31連在一起，便于組裝，較之四個(gè)單獨(dú)存在的組成部31組裝時(shí)更加方便、
[0075]進(jìn)一步的，所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊3—體成型。
[0076]所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊3—體成型，中心切除四條U型狹縫，使四個(gè)組成部31藕斷絲連，組裝容易，加工也方便。
[0077]如圖7和8，本實(shí)施例的可選方案中，所述壓電陶瓷晶片12為圓形。
[0078]圓形的壓電陶瓷晶片12易于加工，較之傳統(tǒng)的夾心式壓電換能器，不需要中心預(yù)應(yīng)力螺栓固定。外徑相同情況下，本申請采用圓盤形壓電陶瓷晶片組成的壓電晶堆4較之傳統(tǒng)的夾心式壓電換能器由圓環(huán)形壓電陶瓷晶片組成的壓電陶瓷晶堆具有更大的體積，從而進(jìn)一步增大了換能器的功率容量。
[0079]進(jìn)一步的，所述電極片13包括電極部和連接部，所述連接部與所述電極部固接，所述連接部用于與電源連接;所述電極部為與所述壓電陶瓷晶片12外形相同的圓形，所述電極部與所述壓電陶瓷晶片12重合疊放。
[0080]如此設(shè)置使得壓電陶瓷晶片12與電極片13整個(gè)壓疊在一起，避免了當(dāng)換能器輸入電功率較大時(shí)，強(qiáng)烈的振動(dòng)容易引起高壓打火及電極脫落。
[0081]本實(shí)施例的可選方案中，四個(gè)所述外質(zhì)量塊5與所述徑向輻射殼體I一體化成型。
[0082]其目的是避免十字形正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源和徑向輻射殼體I之間形成接觸面，有效避免了超聲能量在接觸面之間的傳輸損失。
[0083]如圖1，本實(shí)施例的可選方案中，所述徑向輻射殼體I兩端還分別固接有防水密封蓋14。
[0084]防止灰塵、水分等進(jìn)入，引起短路等。
[0085]進(jìn)一步的，兩個(gè)所述防水密封蓋14與所述徑向輻射殼體I通過螺釘連接。
[0086]螺釘連接的方式較為簡單，加工方便。
[0087]進(jìn)一步的，兩個(gè)所述防水密封蓋與所述徑向輻射殼體I之間分別設(shè)置有密封圈。
[0088]進(jìn)一步提高密封特性，防止灰塵和水分的進(jìn)入。
[0089]最后應(yīng)說明的是:以上各實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對其限制;盡管參照前述各實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，包括十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源和圓筒狀的徑向輻射殼體;所述徑向輻射殼體套裝在所述十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源外部； 所述十字正交復(fù)合夾心式壓電激勵(lì)源包括錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)、十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊、四組結(jié)構(gòu)相同的壓電陶瓷晶堆和四個(gè)形狀相同的外質(zhì)量塊； 所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊包括四塊形狀相同的組成部，四塊所述組成部中心對稱放置；四組所述壓電陶瓷晶堆圍繞所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊的中心軸中心對稱放置;四個(gè)所述外質(zhì)量塊圍繞所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊的中心軸中心對稱放置； 四個(gè)所述組成部的內(nèi)側(cè)面圍成一個(gè)圓柱孔和兩個(gè)相同的錐形孔;兩個(gè)所述錐形孔的小端分別與所述圓柱孔貫通； 所述錐形預(yù)應(yīng)力彈性膨脹結(jié)構(gòu)包括固定裝置和兩個(gè)形狀相同的錐形膨脹體;兩個(gè)所述錐形膨脹體通過所述固定裝置分別固定插裝在兩個(gè)所述錐形孔內(nèi)； 每組所述壓電陶瓷晶堆均由偶數(shù)片形狀相同的壓電陶瓷晶片疊放而成，相鄰的兩片所述壓電陶瓷晶片之間均安裝有金屬電極片，位于兩端的所述壓電陶瓷晶片的外側(cè)也分別安裝有所述金屬電極片;相鄰的所述電極片連接極性相反的電極； 四個(gè)所述組成部的外側(cè)面均為平面，四個(gè)所述外質(zhì)量塊的內(nèi)端面均為平面;每個(gè)所述壓電陶瓷晶堆一端的所述電極片與其中一塊所述組成部的外側(cè)面抵接，另一端的所述電極片與其中一個(gè)所述外質(zhì)量塊的內(nèi)端面抵接； 四個(gè)所述外質(zhì)量塊的另一端與所述徑向輻射殼體的內(nèi)壁抵接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，所述固定裝置為預(yù)應(yīng)力螺栓，所述預(yù)應(yīng)力螺栓包括雙頭螺桿和兩個(gè)螺帽，所述雙頭螺桿插裝在所述圓柱孔內(nèi)； 兩個(gè)所述錐形膨脹體分別設(shè)置有中心孔，兩個(gè)所述錐形膨脹體通過所述中心孔分別套裝在所述雙頭螺桿上； 兩個(gè)所述螺帽分別與所述雙頭螺桿的兩端螺接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，四塊所述組成部通過四個(gè)相同的連接件順次連接，四個(gè)所述連接件呈中心對稱放置。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，所述十字形正交復(fù)合中心質(zhì)量塊一體成型。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，所述壓電陶瓷晶片為圓形。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，所述電極片包括電極部和連接部，所述連接部與所述電極部固接，所述連接部用于與電源連接;所述電極部為與所述壓電陶瓷晶片外形相同的圓形，所述電極部與所述壓電陶瓷晶片重合疊放。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，四個(gè)所述外質(zhì)量塊與所述徑向輻射殼體一體化成型。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，所述徑向輻射殼體兩端還分別固接有防水密封蓋。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，兩個(gè)所述防水密封蓋與所述徑向輻射殼體通過螺釘連接。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的十字形正交復(fù)合驅(qū)動(dòng)壓電管形換能器，其特征在于，兩個(gè)所述防水密封蓋與所述徑向輻射殼體之間分別設(shè)置有密封圈。
【文檔編號(hào)】B06B1/06GK205599472SQ201620221850
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】許龍
【申請人】許龍