[发明专利]一种大振幅夹心式压电超声复合换能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电超声换能器，特别涉及一种能在纵向产生大位移振幅的夹心式压电超声复合换能器。

背景技术

大功率超声在超声液体处理领域具有广阔的应用前景，例如超声清洗、超声中草药萃取、超声乳化、超声污水处理、生物柴油提取及声化学等。所有这些技术得以实现的保障是要求超声换能器具有大功率、高效率、高移振幅及稳定可靠性。目前由于夹心式压电换能器具有功率容量大、结构简单等优点被广泛应用于各种超声技术领域。但是在高强超声应用场合，由于传统的夹心式压电超声换能器的输出端位移振幅只能达到5～10 左右，这样的位移振幅很难达到高强超声液体处理所需的超声空化强度，因此需要在换能器的输出端连接放大其位移振幅的机械装置——超声变幅杆（也称超声聚能器），二者共同组成一种复合结构夹心式压电超声换能器（即夹心式压电超声复合换能器）。传统的超声变幅杆是由输入端截面大于输出端截面的变截面棒组成，根据变截面棒的侧面变化形状结构可分为圆锥形变幅杆、指数形变幅杆、悬链线形变幅杆、阶梯形变幅杆以及复合变幅杆等。对于上述由变截面棒组成的超声变幅杆，其放大系数（指变幅杆工作在共振频率时输出端与输入端的位移振幅的比值）与其面积系数（指变幅杆的输入端与输出端的截面积比值）密切相关，面积系数越大，放大系数越大。因此在实际应用中为了提高夹心式压电超声复合换能器的位移振幅及超声辐射强度，变幅杆仅有很小的面积辐射超声波，这将大大的限制了超声换能器的超声作用范围。众所周知，超声换能器的声辐射功率为： ，其中为被处理液体（声负载）的密度，为液体中的声速，为换能器的振动圆频率，为超声换能器的输出端位移振幅，为超声换能器的输出端有效超声辐射面积。由此可知，在一定的工作频率和负载条件下，超声换能器的声辐射功率与其输出端位移振幅的平方成正比，与换能器的输出端有效超声辐射面积成正比。可见，对于大功率超声液体处理领域，要提高换能器的超声辐射效率，夹心式压电超声复合换能器的设计要兼顾振幅增益和有效声辐射面积两个要素。

 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高位移振幅、高辐射效率、特别适合于液体超声处理的大振幅夹心式压电超声复合换能器。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种大振幅夹心式压电超声复合换能器，包括夹心式压电超声换能器、变截面金属管形聚能器和弯曲振动金属圆盘三部分。

在本发明所述的夹心式压电超声复合换能器中，所述变截面金属管形聚能器由金属圆棒的外侧面沿轴向加工成特定的形状和其内部沿轴向加工特定形状的中心通孔而成，中心通孔及外侧面的特定形状是阶梯形、圆锥形、指数形、悬链线形、余弦形或它函数形状中的一种。通过选择中心通孔及外侧面的合适形状变化参数，实现变截面金属管形聚能器沿其轴向的截面积变化，达到聚能的目的。事实上，变截面金属管形聚能器对夹心式压电超声换能器的位移振幅放大倍数除了与聚能器的面积系数有关外，还与变截面金属管形聚能器的外侧面及其中心通孔的形状密切相关。因此，在实际应用中，当变截面金属管形聚能器的输入、输出端截面积一定的情况下，通过选择合适的外侧面及中心通孔的变化形状参数，可实现聚能器能量输出的最大化。

优选的，所述的夹心式压电超声换能器的前盖板与变截面金属管形聚能器采用一体式结构设计，这样的连接可以避免换能器的前盖板与变截面金属管形聚能器之间形成接触面，避免了超声能量在接触面之间的损失。

优选的，在变截面金属管形聚能器的输出端连接一定厚度的金属圆盘。这样的结构设计可以增大夹心式压电超声复合换能器超声辐射面积。

优选的，所述的夹心式压电超声换能器和变截面金属管形聚能器均设计于其纵向基频振动模式下，金属圆盘设计于一阶弯曲振动模式下。夹心式压电超声换能器的纵向振动驱动变截面金属管形聚能器的纵向振动，且变截面金属管形聚能器放大了夹心式压电超声换能器的纵向位移振幅；同时，变截面金属管形聚能器激发金属圆盘的一阶弯曲振动，通过纵-弯振动模式转换，金属圆盘的弯曲振动进一步放大了变截面金属管形聚能器输出端的纵向位移振幅，由此实现夹心式压电超声复合换能器的纵-弯大振幅复合振动工作特性。

上述技术方案的夹心式压电超声复合换能器的优点在于：

（1）本发明一种大振幅夹心式压电超声复合换能器采用纵向振动夹心式压电超声换能器及变截面金属圆管推动金属圆盘，利用振动模式的转换将夹心式压电超声换能器及变截面金属圆管的纵向振动转换为金属圆盘的轴对称弯曲振动，实现金属圆盘向夹心式压电超声复合换能器纵向辐射超声波。