[实用新型]一种圆管形压电超声换能器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种超声设备，特别涉及一种能产生径向全向声辐射的大功率径向振动圆管形压电超声换能器。

背景技术

功率超声技术在液体超声处理领域具有十分广阔的应用前景。液体超声处理是利用超声振动形式的能量在液体介质中产生空化、辐射压以及声流等物理效应对液体进行处理的一种环保节能的绿色超声应用技术。传统的液体超声处理技术，如超声清洗、超声降解等是通过在容器底部或四周粘贴一组阵列式纵向振动换能器来施加声场，由于纵向换能器振子辐射面是平面，其辐射声场指向性强，通常存在声场“盲区”，这是目前制约超声处理效能的“瓶颈”。为改善液体中声场分布的均匀性，提高声能辐射效率，已发展起来几种径向振动换能器。如：专利号为200520057492.4，名称为“洗罐用的超声棒”的实用新型专利，通过在横截面为圆形或多边形(方形或六边形)的圆管或菱管内壁均匀间隔地粘接一定数量的纵向振动压电换能器来产生径向振动。这类棒状换能器由于采用纵振换能器驱动，功率可以较大，存在的不足之处是：

(1)、纵振换能器是间隔地安装于薄壁管内壁上，因此管壁沿周向振动并非是一种均匀径向振动，而是弯曲振动，因而声能量辐射沿周向不均匀。特别对菱管形换能器，声能辐射主要集中在安装换能器的主表面方向，在近场还会出现声能辐射“盲区”；

(2)、对于频率较低的超声棒换能器，其横向尺寸(直径)将比较大，使其应用范围受到限制。

目前市场上也有名称为推拉换能器的产品，其结构是在一根圆管的两端分别固定两个纵振压电换能器，通过圆管将其两端换能器的纵向振动转换为圆管的径向振动。这种管式结构换能器同样是利用纵向换能器激励，输入功率可以较大。不足之处是：

(1)、换能器的径向振动是通过纵向和径向振动模式之间的转换获得。与单一振动模式相比，存在一个能量转换效率的问题。通常模式转换的振动能量转换效率不及单一振动模式换能器高。

(2)、圆管只能由两个换能器来驱动，因此换能器总输出功率有限。此外，圆管长度必须为半波长的整数倍，且不能做的太长。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种功率密度大、辐射效率高，能在径向全向范围内产生均匀声辐射，特别适合于液体超声处理的大功率圆管形压电超声换能器。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为：

一种圆管形压电超声换能器，包括由若干个短圆管复合压电换能器沿轴向用连接螺杆连接成的长圆管复合压电换能器，该长圆管复合压电换能器两端设有盖子，其特征在于：所述每个短圆管复合压电换能器包括一段压电陶瓷元件，该压电陶瓷元件外部有金属径向预应力外壳，压电陶瓷元件外壁与金属径向预应力外壳内壁紧密复合在一起，压电陶瓷元件内部设有扩张式预应力机构，相邻两个短圆管复合压电换能器内部的扩张式预应力机构之间电连接，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属径向预应力外壳之间电连接。

较佳的方案为所述扩张式预应力机构与压电陶瓷元件之间还设有弧形金属衬条。

所述扩张式预应力机构由狭缝式扩张管、锥形螺母和螺纹管构成，其连接关系为狭缝式扩张管与螺纹管通过锥形螺母相连接。

所述狭缝式扩张管的管壁上沿轴向等弧间隔透开若干条狭缝，管壁内侧厚度自管两端向中部线性递增呈锥面。

所述相邻两个短圆管复合压电换能器之间设有防水环，相邻两个短圆管复合压电换能器的金属径向预应力外壳之间通过金属环紧密套接实现电连接。

所述连接螺杆外部套有绝缘管。

上述技术方案的圆管形压电超声换能器的优点在于：利用压电陶瓷元件内部的扩张式预应力机构和外部的金属径向预应力外壳同时对压电陶瓷元件施加内外径向预应力，大幅提高了压电陶瓷元件的功率容量，并显著提高了该圆管形压电超声换能器的机电转换效率和超声能量辐射效率。同时，扩张式预应力机构增强了该圆管形压电超声换能器的径向抗压强度，使之还可应用于高压强技术领域，如用作深海探测声发射换能器、原油输运过程中的超声波降粘用换能器等场合，扩展了其应用范围。此外，可通过调节内部的预应力对每个短圆管复合压电换能器的谐振频率进行微调，使连接的各个短圆管复合压电换能器的谐振频率基本一致。该管形压电超声换能器尤其适用于超声清洗、超声降解水处理、声化学反应以及超声药物萃取等液体超声处理技术领域。

附图说明

图1为本实用新型圆管形压电超声换能器的结构示意图。

图2为本实用新型圆管形压电超声换能器中的弧形金属衬条示意图。

图3为本实用新型圆管形压电超声换能器中的狭缝式扩张管示意图。