[发明专利]复合多频两端螺纹辐射超声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声换能器，特别是复合多频大功率的夹心式压电陶瓷元件超声换能器。

背景技术

功率超声处理在工业中正在不断得到推广应用，高强度超声波在很多领域具有很多意想不到的效果。功率超声技术能否很快从实验室走向工业化，取决于它的经济性、易实施性和可替代性，归根到底就是取决于功率超声振动系统对应用对象、应用环境的适应性。在实际应用中，要求所产生的功率超声场均匀、频带宽、强度高。

功率超声振动系统是功率超声技术中的关键部分，其主要部分包括功率超声换能器、超声变幅杆以及超声工具头或超声辐射器。利用换能器的多模态耦合，借助于换能器振动模态的优化设计，可以设计复频和宽频超声换能器。能够产生超声换能器多模态谐振的方法不少，只要能在一个振动系统中产生两种以上模态的振动或一种振动模态能调节它的二次、三次倍频与基频间隔，使它的组合频率响应不产生过深的凹谷就能拓宽它的工作频带，或者使其工作在多个谐振频率上。随着超声清洗以及声化学等大功率超声技术的发展，对超声功率的要求越来越大，因而大功率超声换能器的研究也受到了人们的重视。美国人Frei发明了一种用于超声清洗的新型超声波换能器-管状换能器，它由一个普通纵向振动换能器和一个圆管连接而成，圆管受换能器激励并将纵向振动转化为径向振动向周围液体辐射超声波。圆管可为实心也可为空心，其长度为振子工作时所对应半波长的整数倍。由于管状换能器沿管体均能辐射超声波，故其辐射面积较普通夹心式换能器大很多，而且它通过径向振动向周围辐射声能，所以产生的声场也比较均匀。后来，美国人Walter等人对管形振子进行了改进，通过在圆管两端使用两个纵向振动换能器同时激励，从而更有效地将纵向振动转化为径向振动，并称这种振子为推拉换能器，此时圆管两端均有纵振换能器激励，两个换能器通过内部导线相连接，最后经引线连接到超声电源。当圆管长度为振子工作时所对应半波长的奇数倍时，两个纵振换能器需同相激励；相反，当圆管长度为半波长的偶数倍时，两端的换能器需反相激励。目前，瑞士TELSONIC、美国CREST等公司均推出了该类换能器的系列化产品，工作频率有20kHz、25kHz、30kHz、40kHz，输出功率最高达2000W，振子长度近1.5m。

如图1夹心式压电陶瓷超声换能器的基本结构示意图，一般的超声波换能器都希望超声波辐射有方向，即从前向盖板一端把纵向超声振动辐射出来，而把后盖板设计为比重较大的材料，阻止超声波从后端辐射。美国人Frei发明的管状换能器则是在前向盖板外再接一个管状体，并设计合管状体受纵向激励后产生径向的超声振动，应用时只要能产生一个强大的复合多频超声源即可。但是该超声换能器还存在有辐射阻碍和损耗的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够克服现有技术的不足之处，产生的超声场均匀强度高，而且没有阻碍和损耗的复合多频两端螺纹辐射超声换能器。

本发明的复合多频两端螺纹辐射超声换能器包括压电陶瓷元件和连接件，其特征在于：连接件为螺纹辐射管和变幅杆，整个超声换能器为：螺纹辐射管-变幅杆-压电陶瓷元件-变幅杆-螺纹辐射管的两端辐射的，在超声电源电压的激励下产生纵向的超声振动结构。也就是说，所述的压电陶瓷元件(换能晶片)与两端的变幅杆和螺纹辐射管构成复合多频的超声换能器，在超声电源电压的激励下产生纵向的超声振动。

以上所述的螺纹辐射管和变幅杆为铜、青铜、碳钢、不锈钢或镍铁、铬铁等合金，与压电陶瓷元件的结合可以采用粘合、镶嵌或用螺钉固紧的方式。

以上所述的螺纹辐射管加工有90度V形螺纹槽，这种辐射体上90度V形螺纹槽直接可把纵向振动转换为径向振动，更有利于把纵向超声振动转换为径向振动。

以上所述的螺纹辐射体可以设计为不同的长度，可适用于大功率超声辐射要求。

以上所选择的超声电源频率20-40KHZ来具体设计超声振动系统，为达到多模态振动耦合为目标进行优化设计，使换能器装置工作在多模态振动耦合状态。

完成了螺纹辐射管-变幅杆-压电陶瓷元件-变幅杆-螺纹辐射管形式的两端全辐射的新型管状超声换能器的基本结构设计后，就根据这种新型管状超声换能器的工作介质环境，研究其振动微分方程，分析计算出各阶固有频率及振动响应，对产生多模态耦合共振的条件进行分析优化。使新型管状超声换能器的结构设计满足产生多模态耦合共振的优化条件参数，这样设计研制出来的新型管状超声换能器就能工作介质环境中产生均匀的复合多频功率超声场。