[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

说明书

本发明属于换能器技术领域，涉及一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法，包括从内到外依次包裹的内球壳、压电陶瓷球壳以及外球壳；换能器的几何尺寸为T＝(R₃‑R₂)/(R₄‑R₂)；几何尺寸0﹤T﹤1；内球壳的内半径R1为15～60mm；内球壳的厚度、压电陶瓷球壳的厚度以及外球壳的厚度均为4～6mm；外球壳包括两个半球壳；且两个半球壳通过固定环或是螺纹连接。本发明能增加换能器的径向预应力，提高换能器的功率容量；能实现声波的三维空间全方位等幅均匀辐射，换能器的声波作用范围得到扩展，增大换能器辐射声波的作用距离。

技术领域

本发明属于换能器技术领域，涉及一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法。

背景技术

在超声及水声领域，纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器(又称之为朗之万换能器)获得了广泛的应用，原因是此类换能器的结构简单、机电转换效率高且易于优化设计等。然而，随着功率超声技术在化学反应、废水处理、油气田开发、中草药提取、食品工业以及金属冶炼等领域中的广泛应用，对超声功率以及超声的空间作用范围提出了更高的要求，因而对传统的夹心式纵向振动换能器提出了更苛刻的要求，也暴露了其所存在的一些需要克服的问题。

总结起来，为了满足大功率超声处理技术中的功率和超声作用范围要求，传统的纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器存在如下不足之处：第一，夹心式纵向振动超声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，因此此类换能器的声波辐射面积受到自身理论的限制，不能超过一定限度，因而极大地限制了此类换能器的声波辐射功率；第二，夹心式纵向振动超声换能器只能实现超声能量的单一自由度方向辐射，即换能器的辐射能量基本上是沿着换能器的纵轴方向，而不能实现超声能量的二维或三维空间辐射，这也使得超声的空间作用范围受到了限制。

为了适应功率超声应用新技术中对超声功率和超声作用范围提出的更高要求，有必要研究新型的功率超声换能器，以克服目前传统的夹心式纵向振动压电陶瓷超声换能器所存在的一些突出问题。

发明内容

针对现有纵向振动夹心式换能器在辐射功率和超声空间上的限制，本发明提出了一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器及换能方法，增加换能器的径向预应力，提高换能器的功率容量，辐射声波能在多个维度空间上作用，实现声波的三维空间全方位等幅均匀辐射，换能器的声波作用范围得到扩展，增大换能器辐射声波的作用距离。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种径向夹心式球形压电陶瓷复合超声换能器，包括从内到外依次包裹的内球壳、压电陶瓷球壳以及外球壳；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为压电陶瓷的外半径；R4为外球壳的外半径。

进一步的，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。