[发明专利]径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法

权利要求书

1.一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：包括从内到外依次包裹的内球壳(1)、压电陶瓷球壳(2)以及外球壳(3)；换能器的几何尺寸为T＝(R₃-R₂)/(R₄-R₂)；

其中：R2为内球壳的外半径；R3为压电陶瓷球壳的外半径；R4为外球壳的外半径；

所述换能器的几何尺寸0﹤T﹤1；

所述换能器的几何尺寸T与换能器的共振频率fr的关系为fr＝30329-9775T+4929T²-2089T³+469T⁴赫兹；

所述换能器的几何尺寸T与换能器的反共振频率fa的关系为fa＝30331-6449T+2667T²-1203T³+297T⁴赫兹；

所述换能器的几何尺寸T与换能器的有效机电耦合系数K_effc的关系为K_effc＝0.0738+0.82224T-1.18427T²+0.98934T³-0.33518T⁴。

2.根据权利要求1所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述内球壳(1)的内半径R1为15～60mm；所述内球壳(1)的厚度、压电陶瓷球壳(2)的厚度以及外球壳(3)的厚度均为4～6mm。

3.根据权利要求2所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述内球壳(1)、压电陶瓷球壳(2)以及外球壳(3)依次通过高强度胶密封连接。

4.根据权利要求3所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述外球壳(3)包括两个半球壳；且两个半球壳通过固定环或螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述外球壳(3)材质为硬铝、钛合金以及铝镁合金。

6.根据权利要求3所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述内球壳(1)材质为不锈钢或黄铜。

7.根据权利要求3所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述压电陶瓷球壳(2)由两个对称的半球壳组成；所述压电陶瓷球壳(2)材质为PZT-4或PZT-8。

8.根据权利要求5所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，其特征在于：所述径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器还包括包覆在外球壳(3)的外部的透声层；所述透声层材质为橡胶、玻璃钢复合材料或玻璃纤维增强复合材料。

9.一种基于权利要求8所述的径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器的换能方法，其特征在于：所述换能方法是：对换能器的压电陶瓷球壳(2)施加激励电压，换能器的径向方向上产生360°辐射并从透声层向外传递，且在三维空间全方位等幅均匀辐射；利用外球壳(3)的固定连接方式来增加换能器的径向预应力，通过换能器的材质以及几何尺寸调节换能器的振动频率。