专利名称：夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器的制作方法
技术领域：
本发明属于完成一般机械作业用的亚声频、声频或超声频机械振动的产生或传递的方法或设备技术领域，具体涉及到用亚电效应或用电致伸缩工作的产生亚声频、声频或超声频机械振动的方法或设备。
背景技术：
在超声和水声技术领域中，应用较广的是纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器，纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器的主要结构是在预应力螺栓的中部设置压电陶瓷片，预应力螺栓的一端设置有金属前盖板、另一端设置金属后盖板。纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器的机电转换效率高、功率容量大，主要用于超声清洗、超声金属和塑料焊接以及超声加工等。但由于纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器本身理论以及结构所限，存在以下不足之处 纵向振动夹心式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，不能实现超声能量的360度空间全方位辐射。
纵向振动夹心式超声换能器的设计理论要求换能器的横向尺寸即直径不能超过换能器所辐射的声波波长的四分之一，因此纵向振动夹心式超声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，极大地限制了纵向振动夹心式超声换能器的声波辐射功率。
由于辐射面积的限制，在较大辐射功率的情况下，换能器的声强度也很大，从而导致换能器内部的振动速度、振动位移以及纵向应力也很大，有时超过材料的机械强度限制，造成换能器的断裂或损坏。因而此类换能器对于换能器材料的要求非常严格。
径向振动换能器，例如径向振动的压电陶瓷环或圆柱等，可以实现这一目的。但由于压电陶瓷材料本身的抗张强度有限，因而单一的径向振动压电陶瓷换能器(圆管或圆环等)很难达到一定的辐射功率和辐射强度，因而也难以满足一些大功率声学应用的需要，例如用于水声学研究的水下大功率全方位声源以及用于液体中各种超声处理的大功率超声源等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述夹心式纵向超声换能器的缺点，提供一种夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器。
解决上述技术问题所采用的技术方案是在金属内环与金属外环之间设置压电陶瓷环，金属内环、金属外环、压电陶瓷环的上端面在同一平面内、下端面在同一平面内。上述的金属内环和金属外环为钢环、铝环、黄铜或紫铜环、钛环、铝镍铜合金环、钛合金环中的任意一种。
本发明的金属内环的外侧面与压电陶瓷环的内侧面用耐高温环氧树脂粘结剂粘接或静配合联接，金属外环的内侧面与压电陶瓷环的外侧面用耐高温环氧树脂粘结剂粘接或静配合联接。上述的耐高温环氧树脂粘结剂为神力铃超强胶、瑞士爱牢达万能超强胶、荷兰“野牛”环氧树脂金属超强胶、万能超强胶中的任意一种，神力铃超强胶由湖南神力实业有限公司生产，瑞士爱牢达万能超强胶由上海奥什国际贸易有限公司生产，荷兰“野牛”环氧树脂金属超强胶由深圳蒲菲达野牛实业有限公司生产，万能超强胶由深圳金盈佳科技发展有限公司生产，均为市场上销售的商品。
本发明的金属外环的高度H≤金属外环直径的D/5。
本发明的金属内环和金属外环为同一金属材料的圆环。
本发明的压电陶瓷环为沿高度极化的压电陶瓷环。
本发明的工作频率，即换能器的共振频率是由频率方程决定，共振频率由金属内环、金属外环和压电陶瓷环的材料参数以及几何尺寸决定。当换能器各组成部分的材料给定以后，换能器的共振频率由金属内环、金属外环和压电陶瓷环的几何尺寸，即厚度H、金属内环内半径R1、金属内环外半径R2、金属外环内半径R3、金属外环外半径R4、压电陶瓷环内半径R2、压电陶瓷环外半径R3决定。本发明换能器的共振频率方程式如下 在(1)式中，各参数的具体表达式为 Z4m，Z5m，Z6m的具体表达式与(8)，(9)，(10)三个式子相似，唯一不同的需要把公式(8)、(9)、(10)三式中的R1和R2换成R3和R4，Zr1和Zr2换成Zr3和Zr4。
在上述各式中，S是压电陶瓷环的横截面积，ε33T是压电陶瓷材料的自由介电常数，d31是压电应变常数。kr0＝ω/Vr0，ω＝2πf，s11E和s12E是压电陶瓷材料的弹性柔顺系数。Z02＝ρ0Vr0S2，Z03＝ρ0Vr0S3，Zr1＝ρVrS1，Zr2＝ρVrS2，Zr3＝ρVrS3，Zr4＝ρVrS4，S1＝2πR1H，S2＝2πR2H，S3＝2πR3H，S4＝2πR4H，ρ是金属内环和金属外环材料的密度，ρ0压电陶瓷环材料的密度，E和v是金属材料的杨氏模量和泊松比。
本发明通过金属内环和金属外环给压电陶瓷环施加一个径向预应力，实现径向复合换能器的大功率工作，同时通过合理设计金属内环和金属外环的几何尺寸，实现换能器的参数优化，例如共振频率、频带宽度以及机电耦合系数等。本发明可用于水下大功率全方位声源以及液体中各种超声处理的大功率超声源。
图1本发明实施例一个实施例的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
具体实施例方式 下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1 以制备换能器的共振频率为65171Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 在图1、2中，本实施例的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器由金属外环1、压电陶瓷环2、金属内环3联接构成。
金属内环3的外侧面用耐高温环氧树脂粘结剂与压电陶瓷环2粘接，压电陶瓷环2的外侧面用耐高温环氧树脂粘结剂与金属外环1的内侧面粘接。本实施例的耐高温环氧树脂粘结剂采用神力铃超强胶，也可采用瑞士爱牢达万能超强胶或荷兰“野牛”环氧树脂金属超强胶或万能超强胶，压电陶瓷环2与金属内环3、与金属外环1也可采用静配合联接，压电陶瓷环2为沿高度极化的压电陶瓷环，金属内环3、金属外环1、压电陶瓷环2的上端面在同一平面内、下端面在同一平面内。本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为20mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
本实施例的金属内环3和金属外环1为钢环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料为锆钛酸铅，其材料参数为 ρ0＝7500kg/m3，v12＝0.33，d31＝-123×10-12C/N,ε0＝8.842×10-12C2/(N·m2)，ρ＝7800kg/m3，E＝2.09×1011N/m2，v＝0.28。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为65171Hz。通过金属内环3和金属外环1给压电陶瓷环2施加一个径向预应力，可实现本发明的大功率工作。
实施例2 以制备换能器的共振频率为55625Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为25mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
金属内环3和金属外环1为钢环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料为锆钛酸铅，其材料参数与实施例1相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为55625Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3 以制备换能器的共振频率为48603Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为30mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
金属内环3和金属外环1为钢环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料为锆钛酸铅，其材料参数与实施例1相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为48603Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4 以制备换能器的共振频率为45221Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为25mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
金属内环3和金属外环1为钢环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料为锆钛酸铅，其材料参数与实施例1相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为45221Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5 以制备换能器的共振频率为40859Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为30mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
金属内环3和金属外环1为钢环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料为锆钛酸铅，其材料参数与实施例1相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为40859Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例6 以制备换能器的共振频率为37220Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为35mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
金属内环3和金属外环1为钢环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料为锆钛酸铅，其材料参数与实施例1相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为37220Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例7 以制备换能器的共振频率为26125Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为15mm、外半径R2为20mm，金属外环1的内半径R3为25mm、外半径R4为50mm、高度H为20mm，压电陶瓷环2的内半径R2为20mm、外半径R3为25mm。
金属内环3和金属外环1为钢环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料为锆钛酸铅，其材料参数与实施例1相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为26125Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例8 以制备换能器的共振频率为59338Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为20mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为铝环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数为 ρ0＝7500kg/m3，v12＝0.33，d31＝-123×10-12C/N，ε0＝8.842×10-12C2/(N·m2)，ρ＝2700kg/m3，E＝7.1×1010N/m2，v＝0.33。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为59338Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例9 以制备换能器的共振频率为40300Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为25mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为铝环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数与实施例8相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为40300Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例10 以制备换能器的共振频率为51952Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为20mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为紫铜环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数为 ρ0＝7500kg/m3，v12＝0.33，d31＝-123×10-12C/N，ε0＝8.842×10-12C2/(N·m2)，ρ＝8900kg/m3，E＝12.4×1010N/m2，v＝0.35。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为51952Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例11 以制备换能器的共振频率为35321Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为25mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为紫铜环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数与实施例10相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为35321Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例12 以制备换能器的共振频率为49727Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为20mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为黄铜环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数为 ρ0＝7500kg/m3，v12＝0.33，d31＝-123×10-12C/N，ε0＝8.842×10-12C2/(N·m2)，ρ＝8500kg/m3，E＝10.4×1010N/m2，v＝0.37。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为49727Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例13 以制备换能器的共振频率为33650Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为25mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为黄铜环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数与实施例12相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为33650Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例14 以制备换能器的共振频率为62293Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为20mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为钛环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数为 ρ0＝7500kg/m3，v12＝0.33，d31＝-123×10-12C/N，ε0＝8.842×10-12C2/(N·m2)，ρ＝4520kg/m3，E＝11.62×1010N/m2，v＝0.32。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为62293Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例15 以制备换能器的共振频率为42435Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为25mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为钛环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数与实施例14相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为42435Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例16 以制备换能器的共振频率为63230Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为20mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为钛合金(TC6)环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数为 ρ0＝7500kg/m3，v12＝0.33，d31＝-123×10-12C/N，ε0＝8.842×10-12C2/(N·m2)，ρ＝4500kg/m3，E＝12.07×1010N/m2，v＝0.32。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为63230Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例17 以制备换能器的共振频率为43098Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为25mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为钛合金环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数与实施例16相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为43098Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例18 以制备换能器的共振频率为59910Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为5mm、外半径R2为10mm，金属外环1的内半径R3为15mm、外半径R4为20mm、高度H为5mm，压电陶瓷环2的内半径R2为10mm、外半径R3为15mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为铝镍铜合金环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数为 ρ0＝7500kg/m3，v12＝0.33，d31＝-123×10-12C/N，ε0＝8.842×10-12C2/(N·m2)，ρ＝2900kg/m3，E＝7.6×1010N/m2，v＝0.34。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为59910Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例19 以制备换能器的共振频率为40647Hz为例，各零部件的几何形状以及联接关系如下 本实例金属内环3的内半径R1为10mm、外半径R2为15mm，金属外环1的内半径R3为20mm、外半径R4为25mm、高度H为10mm，压电陶瓷环2的内半径R2为15mm、外半径R3为20mm。
在本实施例中，金属内环3和金属外环1为铝镍铜合金环，形状为圆环，压电陶瓷环2的材料与实施例1相同。材料参数与实施例18相同。
按式(1)～(10)计算出本实施例的共振频率为40647Hz。零部件的联接关系与实施例1相同。
根据上述原理共振频率和金属内环3以及金属外环1的材料参数确定之后，可设计出另外一种具体尺寸的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，但均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，其特征在于在金属内环(3)与金属外环(1)之间设置压电陶瓷环(2)，金属内环(3)、金属外环(1)、压电陶瓷环(2)的上端面在同一平面内、下端面在同一平面内；
上述的金属内环(3)和金属外环(1)为钢环、铝环、黄铜或紫铜环、钛环、铝镍铜合金环、钛合金环中的任意一种。
2.按照权利要求1所述的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，其特征在于所说的金属内环(3)的外侧面与压电陶瓷环(2)的内侧面用耐高温环氧树脂粘结剂粘接或静配合联接，金属外环(1)的内侧面与压电陶瓷环(2)的外侧面用耐高温环氧树脂粘结剂粘接或静配合联接。
3.按照权利要求1或2所述的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，其特征在于所说的金属外环(1)的高度H≤金属外环(1)直径的D/5。
4.按照权利要求1或2所述的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，其特征在于所说的压电陶瓷环(2)为沿高度极化的压电陶瓷环(2)。
5.按照权利要求1或2所述的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，其特征在于所说的耐高温环氧树脂粘结剂为神力铃超强胶、瑞士爱牢达万能超强胶、荷兰“野牛”环氧树脂金属超强胶、万能超强胶中的任意一种。
6.按照权利要求1或2所述的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，其特征在于所说的金属内环(3)和金属外环(1)为同一金属材料的圆环。
7.按照权利要求3所述的夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，其特征在于所说的金属内环(3)和金属外环(1)为同一金属材料的圆环。
全文摘要
一种夹心式径向振动压电陶瓷超声换能器，在金属内环与金属外环之间设置压电陶瓷环，金属内环、金属外环、压电陶瓷环的上端面在同一平面内、下端面在同一平面内。上述的金属内环和金属外环为钢环、铝环、黄铜或紫铜环、钛环、铝镍铜合金环、钛合金环。本发明通过内外金属环给压电陶瓷环施加一个径向预应力，实现径向复合换能器的大功率工作，同时通过合理设计内外金属环的几何尺寸，实现换能器的参数优化，例如共振频率、频带宽度以及机电耦合系数等。本发明可用于水下大功率全方位声源以及液体中各种超声处理的大功率超声源。
文档编号H04R17/00GK101111098SQ20071001856
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者林书玉 申请人:陕西师范大学