声波信号的频率的函数的信号阻抗的图表。
[0023]图9是采用具有均匀厚度的安装板以及在第一和第三谐波频率下操作的转换器的本发明的一个实施方式的侧视图。
[0024]图10是两个安装板的侧视图。
[0025]图11是采用在转换器安装位置具有两种厚度的安装板的本发明的另一个实施方式的侧视图。
[0026]图12是图11的安装板的立体图。
[0027]图13是安装板的侧视图。
[0028]图14是采用在转换器安装位置具有两种厚度的安装板的本发明的另一个实施方式的侧视图。
[0029]图15是采用转换器阵列的本发明的另一个实施方式的侧视图。
【具体实施方式】
[0030]仅为了示例说明的目的，附图描绘了本发明的各种优选实施方式。通过下面的论述，所属领域技术人员将会容易地认识到，在不偏离在此描述的本发明的原理的情况下，可采用在此示出的结构和方法的备选实施方式。
[0031]本发明的一个方面是将转换器安装板的基础共振或更高的谐波频率与安装到其上的多频转换器的操作频率匹配。所述转换器具有不同的操作频率，或基础共振或更高的谐波频率，从而供应混合兆声波频率至箱体或所述箱体中的待处理部件。所述转换器是具有至少300KHZ的基础共振频率的厚度模式兆声波转换器。所述兆声波转换器可被安装在或附接至箱体的底部或侧面，或封闭在所述箱体内的可浸没容器中。优选地，所述转换器是以厚度模式操作的压电晶体或压电陶瓷(也称为PZT)-例如钛酸钡或锆钛酸铅。将安装板的厚度模式共振或谐波频率与兆声波转换器的操作频率匹配改善了从所述转换器至箱体的能量传送。
[0032]转换器安装在安装板、箱体的表面或其他结构上。为了方便起见，转换器安装到其上的任何结构在此都将称为安装板，但是该术语旨在包括所有转换器安装结构(无论与箱体结构一体形成或分隔开)。安装板的材料可以是金属、高科技陶瓷、碳、石英或具有用于传递声音的高能力的其他物质。仅为了示例说明的目的，所引用的频率基于不锈钢。上面引用的每种材料都具有其自身的厚度模式频率。
[0033]如图1-6所示，本发明的一个实施方式是包括清洁箱体12的清洁系统10，所示清洁箱体12容纳有清洁液体或溶液14以及待清洁的一个或多个零件15。兆声波能量通过附接至箱体12的底部或者附接至安装板20 (所述安装板20附接至所述箱体或者与所述箱体一体形成)的兆声波频率转换器16和18施加至清洁液体14。备选地，兆声波转换器可附接至箱体的一个或多个侧面或浸入箱体。优选地，兆声波转换器16和18具有粘合地结合或以其他方式附接至箱体12或安装板20的压电元件(PZT)。转换器16和18可粘合地结合或以其他方式附接至碳化硅板，所述碳化硅板又附接至箱体12或安装板20。优选地，转换器16和18与箱体12或安装板20之间的结合层22由多孔铜箔和阻抗匹配粘合剂构成。备选地，所述结合层可由环氧树脂或用于模制结合半导体芯片至封装基体的其他粘合剂构成。
[0034]压电元件可以是具有均匀厚度的正方形、矩形或圆形盘，或其他形状。例如，为了在ΙΟΟΟΚΗζ的标称频率下操作，压电元件将具有大约0.08英寸的厚度并且石英箱体12的底部将具有大约0.20英寸的厚度。转换器16和18以及清洁系统10仅是转换器和包含本发明的装置的一个示例。
[0035]如图3-6所示，转换器16和18优选地为矩形并且以交替顺序布置成彼此平行，每种转换器都具有包括在所述交替顺序中的多个。优选地，转换器16和18覆盖箱体12的底部表面的绝大部分，优选地至少80%。期望产生兆声波能量并且将其传送至箱体12和流体14，均匀地遍及转换器16和18附接至其上的表面的整个区域。通过转换器覆盖箱体底部的表面区域的高百分比确保传送至流体14的兆声波能量相对均匀。
[0036]如图6所示，转换器16和18通过由可编程振荡器26经由电导线24供给的驱动信号来驱动。振荡器26由使用者通过使用者输入器件或界面28来编程，以设置振荡器输出的驱动信号的特性。
[0037]兆声波频率压电转换器以厚度模式操作，使得施加的电压导致转换器的厚度膨胀和收缩。这种膨胀和收缩通过箱体12或安装板20传递至箱体中的流体14和物体15。如图6通过虚线所示，假定转换器16和18在箱体12的底部上，这些兆声波频率振动主要是水平波。如图6中的箭头所示，这些波向上传播并且传送从箱体中的物体15清洁或分离的颗粒。这就是称作微流动的过程，在所述微流动中具有离开兆声波能量源的向上网状移动。如图1和2所示，箱体具有堤部21，过量的流体和颗粒在所述堤部21上方流动，并且具有再循环和清洁流体的栗23和过滤器25。
[0038]基础共振频率通常是转换器的机械和电气特性可最高效地传递声波的频率。在以厚度模式操作的兆声波转换器中，转换器的厚度决定基础共振频率。例如，0.08英寸厚的转换器将具有大约ΙΟΟΟΚΗζ的基础共振频率。0.065英寸厚的转换器将具有大约1230ΚΗζ的基础共振频率。0.05英寸厚的转换器将具有大约1600ΚΗΖ的基础共振频率。在此使用的术语“共振频率”意指最低基础频率，在该频率下所安装的转换器具有自然共振，有时称为第一谐波频率。
[0039]类似转换器和安装板的结构还具有高等级谐波频率-例如大约三倍于所述基础共振频率的第三谐波频率下的自然共振。转换器可具有足够强大和高效以用于产生兆声波能量的基础共振频率和第三谐波频率。同样，安装板可具有在从转换器传递兆声波能量至箱体的内容物方面高效的基础共振频率和第三谐波频率。图8(a)和8(b)示出了作为具有均匀厚度的不锈钢安装板的频率的函数的信号阻抗。图8(a)示出了在470ΚΗΖ的第一谐波或基础共振频率下的安装板的低阻抗以及由此产生的良好传递。图8(b)示出了相同不锈钢安装板在其1560ΚΗΖ的第三谐波频率下具有低阻抗。低阻抗指示安装板的共振。
[0040]图9示出了本发明的一个实施方式，其中安装板具有均匀厚度并且转换器16和18分别在它们的基础共振(第一谐波)以及第三谐波频率下操作。转换器16和18构造相同，但是一个在其基础(第一谐波)共振频率下被驱动而另一个在其第三谐波频率下被驱动。例如，0.23英寸厚的ΡΖΤ将具有470ΚΗζ的第一谐波频率以及1560ΚΗζ的第三谐波频率。优选地，较低频率的转换器16由一个振荡器驱动，而较高频率的转换器18由另一个振荡器驱动。
[0041]备选地，转换器18可设计成在均匀厚度安装板的第三谐波频率的基础共振(第一谐波)频率下操作。1560ΚΗΖ的第一谐波将需要ΡΖΤ大约0.05英寸厚，这明显比0.23英寸更薄。更薄的ΡΖΤ可能在操作中不如较厚的ΡΖΤ可靠，因为较厚的ΡΖΤ抗破裂变形和损坏的能力更强。
[0042]通过将转换器与安装板的基础共振(第一谐波)频率匹配，第三谐波频率也将匹配或接近匹配。如果转换器与安装板的第一谐波频率匹配而第三谐波没有充分匹配，随后可以调节安装板的厚度。通过改变第三谐波转换器的安装位置处的安装板的厚度，可对应地调节安装板的第三谐波频率从而使其匹配转换器的第三谐波频率。增大厚度将使安装板的谐波频率降低，而减小厚度将提高谐波频率。
[0043]在另一个实施方式中，安装板可在其基础共振(第一谐波)频率下与转换器18的操作频率匹配。本发明的这种实施方式在图10和11中示出。图10中示出了两个安装板；较厚的板32具有470ΚΗζ的基础共振(第一谐波)频率而较薄的板34具有ΙΟΟΟΚΗζ (IMeg)的基础共振频率。较厚的板32共振匹配470KHZ的转换器16，而较薄的板共振匹配ΙΟΟΟΚΗζ的转换器18。为了使用两个转换器16和18，安装板36具有两个厚度-在较低频率转换器16的安装位置38处较厚而在较高频率转换器18的安装位置40处较薄。这在图11中示出。为了得到用于较高频率的安装板的正确厚度，可以共振匹配较低频率转换器16的厚板开始，而随后将板的某些区域机加工到较高频率转换器18所需的厚度。如图12所示，较高频率转换器18的安装位置40已机加工成较薄的厚度。用于较低频率转换器16的安装位置38没有被机加工。
[0044]如图13和14所示，可通过反转该过程来实现类似的结果。以匹配较高频率转换器18的较薄的板34开始，在较低频率转换器16的安装位置38处增加材料42从而增加共振匹配较低操作频率所需的厚度。材料块42可通过焊接、铜焊、用胶水或其他粘合剂粘合、烧结或其他过程来添加到较薄的板34。
[0045]另一个备选方案是在样式设置成得到安装板的期望厚度的铸模或模具中模具铸造或模制安装板。模具铸造或模制过程可使用铝或其他金属。粉末金属可用作制造安装板的材料。
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