十字形正交复合驱动压电管形换能器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声波换能器领域，尤其是涉及一种十字形正交复合驱动压电管形换能器。
【背景技术】
[0002]超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。
[0003]在功率超声及水声技术领域，夹心式纵向振动压电超声换能器应用最为广泛。该换能器是由法国科学家郎之万发明的，具有结构简单、功率容量较大和机电转换效率高等优点。随着科技的发展以及超声技术的广泛应用，超声在许多新技术领域(如超声中草药萃取、超声污水处理、超声采油以及超声化学反应等)获得了重要的应用。
[0004]在这些新技术领域，对超声换能器的辐射功率及声波作用范围提出了更高的要求:大功率、高效率和全方位超声辐射。对于现有的夹心式纵向振动压电超声换能器，由于其自身的理论及结构的限制，单个夹心式纵向振动压电超声换能器存在着功率容量有限、超声作用方向单一、超声辐射面积有限等不足之处，因此难以满足新的超声技术中所要求的大功率、全方位超声辐射的特性。目前，为了改善单个夹心式纵向振动压电超声换能器的不足之处，已发展起来以下几类超声换能器。
[0005](I)阵列式超声换能器。通过在容器底部或四周粘接一列或多列夹心式纵向振动压电超声换能器组成阵列声源向液体中辐射声波。阵列式声源虽然可以解决单个夹心式换能器存在的超声作用面积和功率量有限及声波辐射方向单一等不足之处，但是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”，这也是制约该类换能器液体超声处理效能的“瓶颈”。
[0006](2 )push_pul I换能器。其工作原理是通过两个親合在一个金属圆管两端的夹心式纵向压电换能器的纵振动，对圆管产生纵向推拉作用并在圆管径向产生声能辐射。从push-pull 换能器的几何尺寸和声波辐射特性来看，该类换能器的振动属于夹心式纵向压电换能器的纵振动激励金属圆管的高阶纵向振动，在圆管的高阶纵向振动模式下由于泊松效应产生径向耦合振动。因此，虽然该类换能器可解决单个夹心式纵向振动压电超声换能器存在的超声作用方向单一、超声辐射面积有限等不足之处，但是由于该类换能器在工作时系统的主振方向仍在纵向，存在由泊松效应产生的径向耦合振动相对较弱及径向超声辐射强度亦较弱的不足之处。此外，由于金属圆管工作于高阶纵振模态，其辐射声场沿纵向有较明显的“驻波特性”。
[0007]基于此，本发明提供了一种十字形正交复合驱动压电管形换能器以解决上述的技术问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种十字形正交复合驱动压电管形换能器，以解决现有技术中的阵列式超声换能器存在声场“盲区”，而push-pull换能器径向超声福射强度较弱、福射声场沿纵向有较明显的“驻波特性”的技术问题。
[0009]在本发明的实施例中提供了一种十字形正交复合驱动压电管形换能器，所述十字形正交复合驱动压电管形换能器
[0010]包括十字正交复合夹心式压电激励源和圆筒状的径向辐射壳体;所述径向辐射壳体套装在所述十字正交复合夹心式压电激励源外部；
[0011]所述十字正交复合夹心式压电激励源包括锥形预应力弹性膨胀结构、十字形正交复合中心质量块和四组结构相同的压电陶瓷晶堆；
[0012]所述十字形正交复合中心质量块包括四块形状相同的组成部，四块所述组成部中心对称放置；四组所述压电陶瓷晶堆围绕所述十字形正交复合中心质量块的中心轴中心对称放置；
[0013]四个所述组成部的内侧面围成一个圆柱孔和两个相同的锥形孔;两个所述锥形孔的小端分别与所述圆柱孔贯通；
[0014]所述锥形预应力弹性膨胀结构包括固定装置和两个形状相同的锥形膨胀体;两个所述锥形膨胀体通过所述固定装置分别固定插装在两个所述锥形孔内；
[0015]每组所述压电陶瓷晶堆均由偶数片形状相同的压电陶瓷晶片叠放而成，相邻的两片所述压电陶瓷晶片之间均安装有金属电极片，位于两端的所述压电陶瓷晶片的外侧也分别安装有所述金属电极片;相邻的所述电极片连接极性相反的电极；
[0016]四个所述组成部的外侧面均为平面;每个所述压电陶瓷晶堆一端的所述电极片与其中一块所述组成部的外侧面抵接，另一端的所述电极片与所述径向辐射壳体的内壁抵接。
[0017]可选的，所述固定装置为预应力螺栓，所述预应力螺栓包括双头螺杆和两个螺帽，所述双头螺杆插装在所述圆柱孔内；
[0018]两个所述锥形膨胀体分别设置有中心孔，两个所述锥形膨胀体通过所述中心孔分别套装在所述双头螺杆上；
[0019]两个所述螺帽分别与所述双头螺杆的两端螺接。
[0020]可选的，四块所述组成部通过四个相同的连接件顺次连接，四个所述连接件呈中心对称放置。
[0021 ]可选的，所述十字形正交复合中心质量块一体成型。
[0022]可选的，所述压电陶瓷晶片为圆形。
[0023]可选的，所述电极片包括电极部和连接部，所述连接部与所述电极部固接，所述连接部用于与电源连接;位于最外端的所述电极片的电极部的外侧面为弧面，与所述径向辐射壳体的内壁抵接。
[0024]可选的，其余的所述电极片的电极部为与所述压电陶瓷晶片外形相同的圆形片，所述电极部与所述压电陶瓷晶片重合叠放。
[0025]可选的，所述径向辐射壳体两端还分别固接有防水密封盖。
[0026]可选的，两个所述防水密封盖与所述径向辐射壳体通过螺钉连接。
[0027]可选的，两个所述防水密封盖与所述径向辐射壳体之间分别设置有密封圈。
[0028]本发明提供的所述十字形正交复合驱动压电管形换能器，根据其振动模式分为两种类型:一种是受迫振动复合型；另一种是同频共振复合型。
[0029]对于受迫振动复合型，其工作原理是换能器内部的十字形正交复合夹心式压电激励源设计在正交纵向共振模式下工作，接通电源，调节电源的频率及匹配条件，当电源的激励频率与换能器内部的十字形正交复合夹心式压电激励源的相应阶次的纵向共振频率一致时，十字形正交复合夹心式压电激励源将沿其正交方向作扩张和收缩的交变纵向振动并直接驱动径向辐射壳体作受迫复合振动，从而向辐射壳体的径向辐射声波。
[0030]对于同频共振复合型，其工作原理是换能器内部的十字形正交复合夹心式压电激励源的正交纵向共振频率设计的与其外部辐射壳体的径向共振频率相同。接通电源，调节电源的频率及匹配条件，当电源的激励频率与换能器内部的十字形正交复合夹心式压电激励源的纵向共振频率及外部的辐射壳体的径向共振频率一致时，内部的十字形正交复合夹心式压电激励源的纵向振动沿辐射壳体的径向方向激发外部辐射壳体的径向振动，从而实现内外两部分之间的纵径复合同频共振并向辐射壳体的径向辐射声波。
[0031]压电陶瓷具有以下特点:当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当压电陶瓷受到外力的作用而变形时，它的两个相对电极面上产生正负相反的电荷。利用这一原理，便可以将压电陶瓷用作超声波换能器。
[0032]本发明提供的所述十字形正交复合驱动压电管形换能器，利用压电陶瓷的特点，产生超声波。通过锥形膨胀体插入锥形孔，使中心的四个所述组成部向外膨胀，给予压电陶瓷晶片一个向外的预应力。而外侧在径向辐射壳体的作用下给予压电陶瓷晶片一个向内的预应力。这样相当于形成了类似传统的两组夹心式压电换能器的十字正交复合。锥形膨胀体插入的深度决定了预应力的大小。过大的预应力使压电陶瓷晶片压得太紧，从而抑制其振动。过小的预应力容易使压电陶瓷晶片压得太松，间隙过大，容易被震碎。因而需要一个合适的预应力范围，即合适的插入深度，这个插入深度由设计时的数学计算和实验确定，本申请通过插入深度的不同，实现预应力可调，适用于不同的情形，可调节至合适的预应力。
[0033]本发明提供的所述十字形正交复合驱动压电管形换能器，整体结构呈中心对称，向周围辐射超声波很均匀，不存在声场“盲区”，通过四组压电陶瓷晶堆，产生超声波，利用压电陶瓷晶堆的纵向振动驱动管形的径向辐射壳体的径向振动，利用传统夹心式压电换能器的结构简单、功率容量大的优点，达到了改善现有的径向复合管形换能器的结构和提高其功率容量的目的，径向超声辐射强度较强，不存在纵向的“驻波特性”。
[0034]采用锥形预应力弹性膨胀结构，协同外部管形壳体对内部的四组压电陶瓷晶堆施