[发明专利]一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波辐射器，特别是涉及一种液体处理的聚焦式或全方位超声辐射的大功率纵径复合振动超声波辐射器。

背景技术

    随着超声技术在工业、化工、环保、制药、油气田开发等领域的广泛应用，对功率超声振动系统提出了更高的要求：高效率、大功率和连续稳定工作。当前，在大功率超声应用领域，由于纵向振动夹心式压电换能器具有功率密度大、机电转换效率高以及性能稳定等优点，其应用最为广泛。但由于纵向振动夹心式压电换能器本身理论以及结构所限，存在以下不足之处：

纵向振动夹心式换能器只能实现超声能量的单一方向辐射，即换能器的辐射能力基本是沿着其纵轴方向，不能实现超声能量的360度空间全方位辐射。

纵向振动夹心式换能器的设计理论要求换能器的横向尺寸不能超过换能器所辐射的声波波长的四分之一，因此纵向振动夹心式换能器的声辐射面积受到自身理论的限制，极大地限制了纵向振动夹心式换能器的声波辐射功率和电声转换效率。

为了提高超声辐射功率，增大超声波作用的范围，传统的方法是采用布阵的方式，即把多个夹心式换能器粘在不锈钢板上，形成振板。当要求清洗或处理的量较大时，需要把振板增大，这时一个振板上需要粘几十甚至上百个换能器，有时甚至采用多个振板以满足大容积超声清洗和处理要求。对于这种方式，由于每个换能器的辐射面积小，导致效率不高，设备庞大，稳定性差，使用不便。因此振板形式的超声换能器装置很难满足工业规模的超声清洗和处理的要求。

另外，为了提高传统的纵向超声振动系统的辐射功率及改善声波辐射方向，人们提出了圆管式超声辐射器。如：专利号：ZL 200510033810.8，名称为“超声液体处理换能方法和装置”，通过在圆筒形液体容器的一端或两端设置换能器，使换能器的轴向振动转换成径向振动达到对圆筒内液体施加超声能量的目的。该超声辐射器通过换能器的纵向振动激发圆筒的高频纵向振动，利用泊松效应实现圆筒的径向超声辐射，从而改善了纵振动夹心式换能器的声波辐射方向和增大了超声作用面积，但还存在如下不足：

（1）从其几何尺寸和声波辐射特性来看，这类超声波辐射器的振动还是属于圆管的高阶纵向振动，在圆管的高阶纵向振动模式下利用泊松效应产生的径向振动位移相对于换能器的纵向振动位移也较小，因此系统的径向超声辐射强度相对较弱。

（2）该超声辐射器的纵向驱动夹心式换能器与金属圆筒通过焊接等方式直接连接，换能器的径向尺寸限制了金属圆筒的直径很难做到较大，因此该辐射器的超声作用面积也受制于驱动换能器的径向尺寸，在筒内处理的液体也相对有限。此外，为了增大圆筒的超声辐射面积，可通过增加圆筒的长度的办法来实现，但是圆筒的长度越长，对于同样的激发频率下圆筒的纵向振动对应于更高阶的纵向高次谐频振动（频率一定时，圆筒的长度每增加一个半波长，振动阶次增加一阶），在换能器的纵向激发频率和功率一定的条件下，圆筒的高阶纵向谐频相对于低价纵向谐频利用泊松效应产生的径向振动必然更弱，因此在圆筒的更高阶纵振模式下管内的径向辐射声波也较弱，这也限制了圆筒的纵向尺寸不能做的很大。

现有技术中，为了获得较好的径向振动模式，通常采用压电陶瓷圆管与金属圆管通过热胀冷缩法嵌套在一起实现整体的径向模式振动。专利号为ZL 200520075667.4，名称为“大功率超声换能器”的发明专利，采用多级带有金属预应力外壳的短圆管压电换能器单元沿轴向机械串接而成,这种换能器能够获得较好的径向振动模式,但有以下不足：

（1）换能器的径向振动是通过压电圆管的3-1耦合实现的，其横向机电耦合系数k₃₁较小，因而换能器的机电转换效率较低。

（2）金属预应力外壳与内部的压电陶瓷管通过热胀冷缩法嵌套在一起对压电陶瓷圆管施加由外向内的单向径向预应力，此预应力施加的大小很难控制，预应力太小换能器的功率容量受到限制，功率密度较小，预应力过大会引起压电陶瓷管破碎。此外，该换能器的内电极（导线）直接焊接在压电陶瓷管内壁的镀层电极面上，两者之间为“点”接触，当换能器输入电功率较大时，强烈的振动容易引起高压打火及电极脱落。