专利名称：复合多频两端螺纹辐射超声换能器的制作方法
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勻、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勻。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 TELS0NIC、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，产生的超声场均勻强度高，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勻的复 合多频功率超声场。本发明复合多频两端螺纹辐射超声换能器工作原理简介在功率超声电源的激励 下，压电陶瓷元件把功率超声电能转换成压电陶瓷元件的超声波振动能(机械能)，但压电 陶瓷元件的所产的超声振动振幅总体较微小，表现在主振方向(轴向)上有较大，而其他方 向(径向)上较小。在压电陶瓷元件的两端各联接具有轴向振幅放大作用的变幅杆，把压 电陶瓷元件所产生的微振幅超声振动进行振幅放大，再通过与超声波频率有多模态耦合的 螺纹辐射管向工作介质中辐射功率超声波。螺纹辐射管形式设计为90度V形螺纹且能在 超声频率下产生多模态耦合共振，这样两端的螺纹辐射管就可以通过径向给工作介质辐射 超声波，并工作介质环境中产生均勻的复合多频功率超声场。本发明复合多频两端螺纹辐射超声换能器的优点是(1)采用两端辐射的方式，在夹心式压电陶瓷元件的两端采用螺纹辐射体通过振 动模态耦合产生复频功率超声场，机电耦合效率高，产生的超声场均勻强度高，而且没有阻 碍和损耗，提高了机电耦合效率。(2)在两端辐射体上加工出90度的螺纹，更高效地把纵向超声振动转换为径向振 动。(3)所选择的超声电源频率为20-40KHZ(具体可以设计为20KHZ、25KHZ、30KHZ、 40KHZ若干个频率)来具体设计超声振动系统，优化振动模态参数，让换能器工作在多模态 振动耦合的状态，产生复合多频均勻功率超声场。(4)两端辐射体可以加长，最长可达2米，功率可以加大，超声场可以加大。(5)压电陶瓷元件在高频电压的作用下产生纵向的超声振动，并传递到与其紧固 相联的前、后两端的超声变幅杆放大振动幅值，再到螺纹辐射体，把超声波辐射出来。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。
图1是目前公开的夹心式压电陶瓷超声换能器的结构示意图。图2是本发明改进的复合多频两端螺纹辐射超声换能器的结构示意图。
图3是图2的局部剖视图。图中部件名称1_连接螺钉，2-后金属盖板，3-压电陶瓷元件，4-前金属盖板(变 幅杆)，5-绝缘套管，6-变幅杆，7-螺纹辐射体。
具体实施例方式如图1所示，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4的一 端把纵向超声振动辐射出来，而把后盖板2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。所述的超声换能器是压电陶瓷元件3、压紧压电陶瓷元件 3的前后金属板2、4、连接件1和绝缘套管5组成，连接件1可以采用螺钉，将前后两块金属 板2和4夹紧压电陶瓷元件3，在前向端一个方向辐射超声波。如图2所示，本发明复合多频两端螺纹辐射超声换能器将前后两块金属板2和4 都变成两段变幅杆7-螺纹辐射管6的结构，压电陶瓷元件3产生的超声振动经变幅杆7放 大后由两端的螺纹辐射管6向工作介质辐射，即得到两端同时向工作介质辐射超声波的效^ ο如图3，在管状体上车削出90度的V形螺纹槽，得到螺纹辐射管6的结构，90度V 形螺纹槽形成了与纵向45度的斜面，可以直接可把纵向振动转换为径向振动。这种螺纹辐 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，更易于把纵向超声振动转换为径向超声振动。综上所述，我们考虑按美国人Frei的做法，后盖板也选择与前盖板相同的轻质材 料并外接一个管状体。这样前、后两端都可以有超声辐射出来。为易于把纵向超声振动转 换为径向振动，我们考虑在管状体上车削出90度的V形螺纹槽，如图2，90度V形螺纹槽 直接可把纵向振动转换为径向振动。这样就可构思出，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。实施例1设计一种复合多频两端螺纹辐射超声换能器，超声电源频率为20KHZ，超声换能器 结构为螺纹辐射管_变幅杆_压电陶瓷元件_变幅杆_螺纹辐射管(两端辐射)，螺纹辐 射管和变幅杆为45号钢，与压电陶瓷元件的结合采用螺栓联接的方式，每端螺纹辐射管长 度是35厘米，变幅杆为12厘米，做成产品后应用于中药酒的加速浸泡过程。实施例2设计一种复合多频两端螺纹辐射超声换能器，超声电源频率为40KHZ，超声换能器 结构为螺纹辐射管_变幅杆_压电陶瓷元件_变幅杆_螺纹辐射管(两端辐射)，螺纹辐 射管和变幅杆为青铜，与压电陶瓷元件的结合采用螺栓联接的方式，每端螺纹辐射管长度 是45厘米，变幅杆为16厘米，做成产品后应用于化学反应器的加热。
权利要求
一种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。
2.根据权利要求1所述的复合多频两端螺纹辐射超声换能器，其特征在于所述的螺 纹辐射管加工有90度V形螺纹槽。
3.根据权利要求1所述的复合多频两端螺纹辐射超声换能器，其特征在于螺纹辐射 管和变幅杆为铜、青铜、碳钢、不锈钢、镍铁或铬铁合金。
4.根据权利要求1所述的复合多频两端螺纹辐射超声换能器，其特征在于所述的螺 纹辐射体根据功率超声辐射场的要求设计为不同长度。
5.根据权利要求1所述的复合多频两端螺纹辐射超声换能器，其特征在于所选择的 超声电源频率为20-40KHZ。
6.根据权利要求1所述的复合多频两端螺纹辐射超声换能器，其特征在于压电陶瓷 元件、螺纹辐射管和变幅杆相互间的结合采用粘合、镶嵌或用螺钉固紧的方式。
全文摘要
本发明公开了一种复合多频两端螺纹辐射超声换能器，它包括压电陶瓷元件和连接件，所述的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。辐射体上加工有90度V形螺纹槽，螺纹辐射体可以设计为不同的长度，以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，通过振动模态耦合产生的复频功率超声场，机电耦合效率高，均匀强度高。
文档编号B06B1/06GK101869886SQ20101019934
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者毛汉领 申请人:广西广播电视大学