[发明专利]一种傅里叶形角的中频超声雾化喷头及设计方法

说明书

技术领域

本发明是用于工农业领域的一种超声雾化器，尤其涉及超声雾化器的结构设计的方法以及基于该方法得到的超声雾化喷头。 

背景技术

超声雾化是指利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，不需加热或添加任何化学试剂。目前超声雾化器有高频（工作频率大于1MHz）和低频(工作频率介于20kHz-80kHz)之分。高频雾化器一般指工作频率大于1MHZ的雾化器，其结构尺寸一般较小，雾滴细，但是它具有工作可靠性差，功率小，工况稳定性差等缺点；低频超声雾化器(工作频率在20kHz和80kHz之间)有稳定的雾化量，可靠性高，但由于它的雾滴偏大（雾滴直径在30μm和100μm之间)。根据雾滴大小的计算公式： 

dp=0.34(8πσρf2)1/3---(4)]]>

式中：σ为表面张力系数，ρ为液体密度，f为声波频率，d_p为雾滴的直径。由公式（4）知，在雾化液一定的情况下，随着频率f的提高，雾滴的直径变小，因而提出一种频率介于两者之间的中频超声雾化喷头。 

目前，超声雾化喷头的变幅杆的主要形状有圆锥形、指数形、悬链形、贝塞尔形和阶梯形等。圆锥形变幅杆，结构简单，易于设计和制造，但是它的放大系数低；指数形和悬链形变幅杆具有光滑的应力分布，但是它的放大系数低；阶梯形变幅杆具有高的放大系数，但是也具有高的应力集中，容易折断。因而考虑到傅里叶形角变幅杆的高振幅放大、低的应力集中顾及形状因数等优点，故选择傅里叶形角变幅杆。 

发明内容

本发明提供了一种傅里叶角的中频超声雾化喷头的设计方法及装置，以解决现有的高频超声雾化器工作可靠性差、功率小、工况稳定性差和低频超声雾化器的雾滴偏大（雾滴直径在30μm和100μm之间)。 

本发明的傅里叶角的中频超声雾化喷头的设计方法，步骤包括：根据需要选择超声雾化喷头的放大系数M、变幅杆长度L、频率F；基于数值方法，使用MATLAB程序求解超声变幅杆的波动方程，根据傅里叶变幅杆的振动形式建立它的波动方程并写成无量纲形式

根据傅里叶变幅杆的边界条件，引入一个多项式来满足边界条件；基于数值方法，求解超声变幅杆的波动方程，得到超声变幅杆的横截面的面积A(X)，也即得到傅里叶变幅杆的2-D轮廓，在Pro/e中把该轮廓通过绕其对称中心轴回转得到傅里叶变幅杆的3-D模型。 

根据超声变幅杆的参数，设计和变幅杆匹配的换能器部分，并用Pro/e建模，最后将变幅杆和换能器组装起来，导入有限元分析软件ANSYS中，进行模态分析、谐响应分析和瞬态分析，对中频超声雾化喷头进行优化设计。 

根据引入的边界条件公式（3）可知，当N取不同值时，称为N阶傅里叶形角变幅杆，所述设计方法适用于不同阶数的傅里叶角的超声雾化喷头的设计。 

当F取值在20kHz到80kHz之间，也是适用的，因而此设计方法也适用于傅里叶形角的低频超声雾化喷头的设计。 

本发明的一种傅里叶形角的中频超声雾化喷头是由超声换能器、傅里叶形角变幅 杆组成；所述超声换能器由换能器前盖板、换能器后盖板组成，换能器前盖板与傅里叶形角变幅杆连接，换能器前盖板与换能器后盖板之间设有压电陶瓷，所述压电陶瓷之间设有薄电极。 

所述傅里叶形角变幅杆的底端设有垂直于变幅杆的进液口，所述变幅杆的内部设有沿杆向分布的出液口。 

每个傅里叶角是按照半波长和振幅放大M倍进行设计。 

本发明所设计的傅里叶形角变幅杆具有高的振幅放大、低的应力集中且顾及形状因数等优点。 

附图说明

图1是傅里叶形角中频超声雾化喷头的原理图。