專利名稱：復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種 超聲換能器，特別是復(fù)合多頻大功率的夾心式壓電陶瓷元件超聲 換能器。
背景技術(shù)：
功率超聲處理在工業(yè)中正在不斷得到推廣應(yīng)用，高強度超聲波在很多領(lǐng)域具有很 多意想不到的效果。功率超聲技術(shù)能否很快從實驗室走向工業(yè)化，取決于它的經(jīng)濟性、易實 施性和可替代性，歸根到底就是取決于功率超聲振動系統(tǒng)對應(yīng)用對象、應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性。 在實際應(yīng)用中，要求所產(chǎn)生的功率超聲場均勻、頻帶寬、強度高。功率超聲振動系統(tǒng)是功率超聲技術(shù)中的關(guān)鍵部分，其主要部分包括功率超聲換能 器、超聲變幅桿以及超聲工具頭或超聲輻射器。利用換能器的多模態(tài)耦合，借助于換能器振 動模態(tài)的優(yōu)化設(shè)計，可以設(shè)計復(fù)頻和寬頻超聲換能器。能夠產(chǎn)生超聲換能器多模態(tài)諧振的 方法不少，只要能在一個振動系統(tǒng)中產(chǎn)生兩種以上模態(tài)的振動或一種振動模態(tài)能調(diào)節(jié)它的 二次、三次倍頻與基頻間隔，使它的組合頻率響應(yīng)不產(chǎn)生過深的凹谷就能拓寬它的工作頻 帶，或者使其工作在多個諧振頻率上。隨著超聲清洗以及聲化學(xué)等大功率超聲技術(shù)的發(fā)展， 對超聲功率的要求越來越大，因而大功率超聲換能器的研究也受到了人們的重視。美國人 Frei發(fā)明了一種用于超聲清洗的新型超聲波換能器-管狀換能器，它由一個普通縱向振動 換能器和一個圓管連接而成，圓管受換能器激勵并將縱向振動轉(zhuǎn)化為徑向振動向周圍液體 輻射超聲波。圓管可為實心也可為空心，其長度為振子工作時所對應(yīng)半波長的整數(shù)倍。由 于管狀換能器沿管體均能輻射超聲波，故其輻射面積較普通夾心式換能器大很多，而且它 通過徑向振動向周圍輻射聲能，所以產(chǎn)生的聲場也比較均勻。后來，美國人Walter等人對 管形振子進行了改進，通過在圓管兩端使用兩個縱向振動換能器同時激勵，從而更有效地 將縱向振動轉(zhuǎn)化為徑向振動，并稱這種振子為推拉換能器，此時圓管兩端均有縱振換能器 激勵，兩個換能器通過內(nèi)部導(dǎo)線相連接，最后經(jīng)引線連接到超聲電源。當(dāng)圓管長度為振子工 作時所對應(yīng)半波長的奇數(shù)倍時，兩個縱振換能器需同相激勵；相反，當(dāng)圓管長度為半波長的 偶數(shù)倍時，兩端的換能器需反相激勵。目前，瑞士 TELS0NIC、美國CREST等公司均推出了該 類換能器的系列化產(chǎn)品，工作頻率有20kHz、25kHz、30kHz、40kHz，輸出功率最高達2000W， 振子長度近1. 5m。如圖1夾心式壓電陶瓷超聲換能器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，一般的超聲波換能器都希 望超聲波輻射有方向，即從前向蓋板一端把縱向超聲振動輻射出來，而把后蓋板設(shè)計為比 重較大的材料，阻止超聲波從后端輻射。美國人Frei發(fā)明的管狀換能器則是在前向蓋板外 再接一個管狀體，并設(shè)計合管狀體受縱向激勵后產(chǎn)生徑向的超聲振動，應(yīng)用時只要能產(chǎn)生 一個強大的復(fù)合多頻超聲源即可。但是該超聲換能器還存在有輻射阻礙和損耗的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，產(chǎn)生的超聲場均勻強度高，而且沒有阻礙和損耗的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器。本發(fā)明的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器包括壓電陶瓷元件和連接件，其特征 在于連接件為螺紋輻射管和變幅桿，整個超聲換能器為螺紋輻射管_變幅桿-壓電陶瓷 元件_變幅桿_螺紋輻射管的兩端輻射的，在超聲電源電壓的激勵下產(chǎn)生縱向的超聲振動 結(jié)構(gòu)。也就是說，所述的壓電陶瓷元件(換能晶片)與兩端的變幅桿和螺紋輻射管構(gòu)成復(fù) 合多頻的超聲換能器，在超聲電源電壓的激勵下產(chǎn)生縱向的超聲振動。以上所述的螺紋輻射管和變幅桿為銅、青銅、碳鋼、不銹鋼或鎳鐵、鉻鐵等合金，與壓電陶瓷元件的結(jié)合可以采用粘合、鑲嵌或用螺釘固緊的方式。以上所述的螺紋輻射管加工有90度V形螺紋槽，這種輻射體上90度V形螺紋槽 直接可把縱向振動轉(zhuǎn)換為徑向振動，更有利于把縱向超聲振動轉(zhuǎn)換為徑向振動。以上所述的螺紋輻射體可以設(shè)計為不同的長度，可適用于大功率超聲輻射要求。以上所選擇的超聲電源頻率20-40KHZ來具體設(shè)計超聲振動系統(tǒng)，為達到多模態(tài) 振動耦合為目標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計，使換能器裝置工作在多模態(tài)振動耦合狀態(tài)。完成了螺紋輻射管-變幅桿-壓電陶瓷元件-變幅桿-螺紋輻射管形式的兩端全 輻射的新型管狀超聲換能器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計后，就根據(jù)這種新型管狀超聲換能器的工作介 質(zhì)環(huán)境，研究其振動微分方程，分析計算出各階固有頻率及振動響應(yīng)，對產(chǎn)生多模態(tài)耦合共 振的條件進行分析優(yōu)化。使新型管狀超聲換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足產(chǎn)生多模態(tài)耦合共振的優(yōu) 化條件參數(shù)，這樣設(shè)計研制出來的新型管狀超聲換能器就能工作介質(zhì)環(huán)境中產(chǎn)生均勻的復(fù) 合多頻功率超聲場。本發(fā)明復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器工作原理簡介在功率超聲電源的激勵 下，壓電陶瓷元件把功率超聲電能轉(zhuǎn)換成壓電陶瓷元件的超聲波振動能(機械能)，但壓電 陶瓷元件的所產(chǎn)的超聲振動振幅總體較微小，表現(xiàn)在主振方向(軸向)上有較大，而其他方 向(徑向)上較小。在壓電陶瓷元件的兩端各聯(lián)接具有軸向振幅放大作用的變幅桿，把壓 電陶瓷元件所產(chǎn)生的微振幅超聲振動進行振幅放大，再通過與超聲波頻率有多模態(tài)耦合的 螺紋輻射管向工作介質(zhì)中輻射功率超聲波。螺紋輻射管形式設(shè)計為90度V形螺紋且能在 超聲頻率下產(chǎn)生多模態(tài)耦合共振，這樣兩端的螺紋輻射管就可以通過徑向給工作介質(zhì)輻射 超聲波，并工作介質(zhì)環(huán)境中產(chǎn)生均勻的復(fù)合多頻功率超聲場。本發(fā)明復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器的優(yōu)點是(1)采用兩端輻射的方式，在夾心式壓電陶瓷元件的兩端采用螺紋輻射體通過振 動模態(tài)耦合產(chǎn)生復(fù)頻功率超聲場，機電耦合效率高，產(chǎn)生的超聲場均勻強度高，而且沒有阻 礙和損耗，提高了機電耦合效率。(2)在兩端輻射體上加工出90度的螺紋，更高效地把縱向超聲振動轉(zhuǎn)換為徑向振 動。(3)所選擇的超聲電源頻率為20-40KHZ(具體可以設(shè)計為20KHZ、25KHZ、30KHZ、 40KHZ若干個頻率)來具體設(shè)計超聲振動系統(tǒng)，優(yōu)化振動模態(tài)參數(shù)，讓換能器工作在多模態(tài) 振動耦合的狀態(tài)，產(chǎn)生復(fù)合多頻均勻功率超聲場。(4)兩端輻射體可以加長，最長可達2米，功率可以加大，超聲場可以加大。(5)壓電陶瓷元件在高頻電壓的作用下產(chǎn)生縱向的超聲振動，并傳遞到與其緊固 相聯(lián)的前、后兩端的超聲變幅桿放大振動幅值，再到螺紋輻射體，把超聲波輻射出來。螺紋輻射體可以設(shè)計為不同的長度，可適用于大功率超聲輻射要求。


圖1是目前公開的夾心式壓電陶瓷超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明改進的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是圖2的局部剖視圖。圖中部件名稱1_連接螺釘，2-后金屬蓋板，3-壓電陶瓷元件，4-前金屬蓋板(變 幅桿)，5-絕緣套管，6-變幅桿，7-螺紋輻射體。
具體實施例方式如圖1所示，一般的超聲波換能器都希望超聲波輻射有方向，即從前向蓋板4的一 端把縱向超聲振動輻射出來，而把后蓋板2設(shè)計為比重較大的材料，阻止超聲波從后端輻 射。美國人Frei發(fā)明的管狀換能器則是在前向蓋板外再接一個管狀體，并設(shè)計合管狀體受 縱向激勵后產(chǎn)生徑向的超聲振動。所述的超聲換能器是壓電陶瓷元件3、壓緊壓電陶瓷元件 3的前后金屬板2、4、連接件1和絕緣套管5組成，連接件1可以采用螺釘，將前后兩塊金屬 板2和4夾緊壓電陶瓷元件3，在前向端一個方向輻射超聲波。如圖2所示，本發(fā)明復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器將前后兩塊金屬板2和4 都變成兩段變幅桿7-螺紋輻射管6的結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷元件3產(chǎn)生的超聲振動經(jīng)變幅桿7放 大后由兩端的螺紋輻射管6向工作介質(zhì)輻射，即得到兩端同時向工作介質(zhì)輻射超聲波的效^ ο如圖3，在管狀體上車削出90度的V形螺紋槽，得到螺紋輻射管6的結(jié)構(gòu)，90度V 形螺紋槽形成了與縱向45度的斜面，可以直接可把縱向振動轉(zhuǎn)換為徑向振動。這種螺紋輻 射管_變幅桿_壓電陶瓷元件_變幅桿_螺紋輻射管形式的兩端全輻射的新型管狀超聲換 能器的基本結(jié)構(gòu)，更易于把縱向超聲振動轉(zhuǎn)換為徑向超聲振動。綜上所述，我們考慮按美國人Frei的做法，后蓋板也選擇與前蓋板相同的輕質(zhì)材 料并外接一個管狀體。這樣前、后兩端都可以有超聲輻射出來。為易于把縱向超聲振動轉(zhuǎn) 換為徑向振動，我們考慮在管狀體上車削出90度的V形螺紋槽，如圖2，90度V形螺紋槽 直接可把縱向振動轉(zhuǎn)換為徑向振動。這樣就可構(gòu)思出，螺紋輻射管-變幅桿-壓電陶瓷元 件_變幅桿_螺紋輻射管形式的兩端全輻射的新型管狀超聲換能器的基本結(jié)構(gòu)。實施例1設(shè)計一種復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，超聲電源頻率為20KHZ，超聲換能器 結(jié)構(gòu)為螺紋輻射管_變幅桿_壓電陶瓷元件_變幅桿_螺紋輻射管(兩端輻射)，螺紋輻 射管和變幅桿為45號鋼，與壓電陶瓷元件的結(jié)合采用螺栓聯(lián)接的方式，每端螺紋輻射管長 度是35厘米，變幅桿為12厘米，做成產(chǎn)品后應(yīng)用于中藥酒的加速浸泡過程。實施例2設(shè)計一種復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，超聲電源頻率為40KHZ，超聲換能器 結(jié)構(gòu)為螺紋輻射管_變幅桿_壓電陶瓷元件_變幅桿_螺紋輻射管(兩端輻射)，螺紋輻 射管和變幅桿為青銅，與壓電陶瓷元件的結(jié)合采用螺栓聯(lián)接的方式，每端螺紋輻射管長度 是45厘米，變幅桿為16厘米，做成產(chǎn)品后應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)器的加熱。
權(quán)利要求
一種復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，包括壓電陶瓷元件和連接件，其特征在于連接件為螺紋輻射管和變幅桿，整個超聲換能器為螺紋輻射管-變幅桿-壓電陶瓷元件-變幅桿-螺紋輻射管的兩端輻射的，在超聲電源電壓的激勵下產(chǎn)生縱向的超聲振動結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，其特征在于所述的螺 紋輻射管加工有90度V形螺紋槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，其特征在于螺紋輻射 管和變幅桿為銅、青銅、碳鋼、不銹鋼、鎳鐵或鉻鐵合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，其特征在于所述的螺 紋輻射體根據(jù)功率超聲輻射場的要求設(shè)計為不同長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，其特征在于所選擇的 超聲電源頻率為20-40KHZ。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，其特征在于壓電陶瓷 元件、螺紋輻射管和變幅桿相互間的結(jié)合采用粘合、鑲嵌或用螺釘固緊的方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合多頻兩端螺紋輻射超聲換能器，它包括壓電陶瓷元件和連接件，所述的連接件為螺紋輻射管和變幅桿，整個超聲換能器為螺紋輻射管-變幅桿-壓電陶瓷元件-變幅桿-螺紋輻射管的兩端輻射的，在超聲電源電壓的激勵下產(chǎn)生縱向的超聲振動結(jié)構(gòu)。輻射體上加工有90度V形螺紋槽，螺紋輻射體可以設(shè)計為不同的長度，以達到多模態(tài)振動耦合為目標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計，使換能器裝置工作在多模態(tài)振動耦合狀態(tài)，通過振動模態(tài)耦合產(chǎn)生的復(fù)頻功率超聲場，機電耦合效率高，均勻強度高。
文檔編號B06B1/06GK101869886SQ20101019934
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者毛漢領(lǐng) 申請人:廣西廣播電視大學(xué)