专利名称：一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波辐射器，特别是涉及一种液体处理的聚焦式或全方位超声辐射的大功率纵径复合振动超声波辐射器。
背景技术：
随着超声技术在工业、化工、环保、制药、油气田开发等领域的广泛应用，对功率超声振动系统提出了更高的要求高效率、大功率和连续稳定工作。当前，在大功率超声应用领域，由于纵向振动夹心式压电换能器具有功率密度大、机电转换效率高以及性能稳定等优点，其应用最为广泛。但由于纵向振动夹心式压电换能器本身理论以及结构所限，存在以下不足之处
纵向振动夹心式换能器只能实现超声能量的单一方向辐射，即换能器的辐射能力基本是沿着其纵轴方向，不能实现超声能量的360度空间全方位辐射。纵向振动夹心式换能器的设计理论要求换能器的横向尺寸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换能器的声辐射面积受到自身理论的限制，极大地限制了纵向振动夹心式换能器的声波辐射功率和电声转换效率。为了提高超声辐射功率，增大超声波作用的范围，传统的方法是采用布阵的方式， 即把多个夹心式换能器粘在不锈钢板上，形成振板。当要求清洗或处理的量较大时，需要把振板增大，这时一个振板上需要粘几十甚至上百个换能器，有时甚至采用多个振板以满足大容积超声清洗和处理要求。对于这种方式，由于每个换能器的辐射面积小，导致效率不高，设备庞大，稳定性差，使用不便。因此振板形式的超声换能器装置很难满足工业规模的超声清洗和处理的要求。另外，为了提高传统的纵向超声振动系统的辐射功率及改善声波辐射方向，人们提出了圆管式超声辐射器。如专利号ZL 200510033810. 8，名称为“超声液体处理换能方法和装置”，通过在圆筒形液体容器的一端或两端设置换能器，使换能器的轴向振动转换成径向振动达到对圆筒内液体施加超声能量的目的。该超声辐射器通过换能器的纵向振动激发圆筒的高频纵向振动，利用泊松效应实现圆筒的径向超声辐射，从而改善了纵振动夹心式换能器的声波辐射方向和增大了超声作用面积，但还存在如下不足
(1)从其几何尺寸和声波辐射特性来看，这类超声波辐射器的振动还是属于圆管的高阶纵向振动，在圆管的高阶纵向振动模式下利用泊松效应产生的径向振动位移相对于换能器的纵向振动位移也较小，因此系统的径向超声辐射强度相对较弱。(2)该超声辐射器的纵向驱动夹心式换能器与金属圆筒通过焊接等方式直接连接，换能器的径向尺寸限制了金属圆筒的直径很难做到较大，因此该辐射器的超声作用面积也受制于驱动换能器的径向尺寸，在筒内处理的液体也相对有限。此外，为了增大圆筒的超声辐射面积，可通过增加圆筒的长度的办法来实现，但是圆筒的长度越长，对于同样的激发频率下圆筒的纵向振动对应于更高阶的纵向高次谐频振动(频率一定时，圆筒的长度每增加一个半波长，振动阶次增加一阶)，在换能器的纵向激发频率和功率一定的条件下，圆筒的高阶纵向谐频相对于低价纵向谐频利用泊松效应产生的径向振动必然更弱，因此在圆筒的更高阶纵振模式下管内的径向辐射声波也较弱，这也限制了圆筒的纵向尺寸不能做的很大。现有技术中，为了获得较好的径向振动模式，通常采用压电陶瓷圆管与金属圆管通过热胀冷缩法嵌套在一起实现整体的径向模式振动。专利号为ZL 200520075667. 4，名称为“大功率超声换能器”的发明专利，采用多级带有金属预应力外壳的短圆管压电换能器单元沿轴向机械串接而成，这种换能器能够获得较好的径向振动模式，但有以下不足
(1)换能器的径向振动是通过压电圆管的3-1耦合实现的，其横向机电耦合系数知较小，因而换能器的机电转换效率较低。(2)金属预应力外壳与内部的压电陶瓷管通过热胀冷缩法嵌套在一起对压电陶瓷圆管施加由外向内的单向径向预应力，此预应力施加的大小很难控制，预应力太小换能器的功率容量受到限制，功率密度较小，预应力过大会引起压电陶瓷管破碎。此外，该换能器的内电极(导线)直接焊接在压电陶瓷管内壁的镀层电极面上，两者之间为“点”接触，当换能器输入电功率较大时，强烈的振动容易弓丨起高压打火及电极脱落。为了克服上述通过热胀冷缩嵌套工艺实现的径向复合换能器的预应力难以调节控制以及机电转换效率较低的不足，专利号为ZL 200910102^9. X，名称为“一种大功率超声复合管”的发明专利，采用多片厚度极化的弧形压电陶瓷片沿圆周方向均勻排列成环形构成柱面压电陶瓷堆环组，在柱面压电陶瓷堆环组外部设有金属预应力外壳，内侧设有扩张式预应力机构，内部的扩张式预应力机构与外部的金属预应力外壳协同对柱面压电陶瓷堆环组施加可调节控制的合适的径向预压应力，从而有效提高柱面压电陶瓷堆环组的功率容量，并且该超声复合管的径向振动模式是由厚度极化的柱面压电陶瓷堆环组的厚度振动模式激发，其厚度机电耦合系数kt比压电陶瓷管的横向机电耦合系数k31高40%以上，显著提高了压电陶瓷的机电转换能力。虽然该大功率超声复合管在结构及性能上比以往的压电陶瓷圆管式复合换能器均有所提高，但也存在一些不足和需要改进完善之处
(1)复合超声管的结构比较复杂，相对于传统的夹心式压电换能器其加工制作工艺较复杂。(2)构成复合管的组成部件较多，各组成部分的结构及尺寸参数均对复合管的性能构成影响，设计时需要考虑的因素及变量较多，同时其制作工艺也需要不断的改进及完善，比如预应力大小的控制、各组成部分所占的比例等等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大功率、高效率、振动能量强度大、能在径向 360度方向辐射超声波的全方位辐射超声波辐射器。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是
一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，通过在金属管的一端或两端设置哑铃棒形变幅杆，哑铃棒形变幅杆连接换能器，金属管的径向共振频率等于换能器和哑铃棒形变幅杆的纵向共振频率；从而使换能器的纵向振动经现铃棒形变幅杆放大并激发金属管的径向振动，超声能量在金属管内产生汇聚或在管外径向360度方向全方向辐射，以对管内及管外液体施以强大超声能量。其中，选择径向振动金属管的尺寸应满足使其径向振动的频率等于换能器及变幅杆的纵向振动频率。在本发明所述的超声波辐射器中，在所述 铃棒形变幅杆位移振幅节面处设有法兰盘，该法兰盘与密封防水的套体连接。优选地，所述金属管一端开口或用金属盖封闭，另一端固定安装哑铃棒形变幅杆。优选地，所述金属管两端都固定安装哑铃棒形变幅杆。实施本发明的有益效果在于
(1)本发明一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器采用纵向振动换能器及现铃棒形变幅杆推动金属管，利用振动模式的转换将换能器及变幅杆产生的纵向振动转换为金属管的径向振动，实现金属管向管内辐射超声波以汇聚超声能量形成聚焦式超声波辐射器或向管外径向360度方向辐射超声波形成全方位超声波辐射器。(2)本发明在径向振动管和纵向激发换能器之间设置 铃棒形变幅杆不仅起到放大换能器纵向激发位移振幅的作用，同时实现放大换能器输出端面积的功能，从而使得径向振动的金属管的径向尺寸不再受换能器径向尺寸的限制可以做得更大，有效提高了径向振动金属管的超声辐射强度，增大了金属管的超声波作用面积。(3)本发明所述的金属管的径向振动属于金属管的基频径向振动，并非是金属管在高阶纵向振动时由于泊松效应产生的耦合径向振动，因此在同样的纵向激发频率和纵向激发位移振幅下其径向振动较之由于泊松效应产生的径向振动更强烈，从而使得辐射器的辐射效果增强。
图1是本发明的第一实施例的示意图。图2是本发明的第二实施例的示意图。图3是本发明的第三实施例的示意图。图4是本发明的第四实施例的示意图。图5是本发明的第五实施例的示意图。图6是本发明的第六实施例的示意图。图7是本发明的第七实施例的示意图。图8是本发明的第八实施例的示意图。
具体实施例方式本发明提供了一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器。如图1所示， 该超声波辐射器由金属管1、哑铃棒形变幅杆20、换能器30及密封防水套体60组成。金属管1 一端设有开口 11，另一端与哑铃棒形变幅杆20的输出端连接(二者的连接方式可通过在哑铃棒形变幅杆20的输出端设有阳螺纹，径向振动金属管1的连接端管内设有阴螺纹， 二者通过螺纹旋紧连接；或者是径向振动金属管1与 铃棒形变幅杆20加工成一体式结构)，在金属管1与哑铃棒形变幅杆20连接一端的侧面上距离连接端一定距离处设有液体流出口 13。哑铃棒形变幅杆20由五部分构成，分别为第一圆柱体21、第二变截面体22，第三细圆柱体23、第四变截面体M和第五圆柱体25，五部分组成一个哑铃形状变幅杆，实现对换能器30纵振动位移振幅及输出端面积放大的双重功能，从而使径向振动金属管1获得更大的纵向激发位移且金属管1的横向尺寸也可设计的更大，增加了该超声波辐射器的超声辐射面积和超声辐射强度，提高了整个振动系统的电声转换效率。换能器30与 铃棒形变幅杆20用双头螺杆50连接，在哑铃棒形变幅杆20的纵振动位移节面处设有法兰盘沈， 通过法兰盘沈与密封防水套体60连接，实现对换能器的密封防水保护。该辐射器在工作时，利用振动模式的转换，通过合理设计金属管1的尺寸使其径向振动频率与换能器30及 铃棒形变幅杆20的纵向振动频率一致，换能器30的高频纵向机械振动经 铃棒形变幅杆20放大并激发金属管1的径向振动，实现换能器30、 铃棒形变幅杆20和金属管1三者之间的同频纵径复合共振，从而使超声波能量得以集中作用于金属管1的内部液体，形成径向聚焦式超声波辐射器。图1中用Al和A2表示该辐射器在工作时其各组成部分的位移振幅分布，其中Al表示换能器及 铃棒形变幅杆纵振动的位移振幅分布曲线，A2表示金属管径向振动的位移振幅分布曲线。由此可以看出，换能器30的长度等于超声波等效波长的1/2长度(即换能器为半波振子)， 铃棒形变幅杆20的长度等于一个超声波波长(即变幅杆为全波振子)，且换能器30的纵向位移振幅经 铃棒形变幅杆 20后实现了放大；金属管1在换能器30及哑铃棒形变幅杆20的纵向激励下发生径向共振， 从而实现三者的纵径复合振动。如图2所示，是本发明的第二实施例的示意图。在本实施例中，为了进一步增大辐射器的功率，提高辐射器的金属管内的超声辐射强度，对径向振动金属管1采用纵向双端激励的方式，即在第一实施例的基础上增加了 铃棒形变幅杆40、换能器31、双头螺栓51、 密封防水套体61，且这些部分的连接方式与第一实施例中的对应部分的连接方式完全相同。为了保证本实施例中金属管1的两端受到完全对称的纵向激励， 铃棒形变幅杆40及换能器31的材料、结构尺寸及性能参数要求与 铃棒形变幅杆20及换能器30的材料、结构尺寸及性能参数要相同。另外，在本实施例中由于金属管1的两端均封闭，在金属管1的两端侧壁距离其两个端头一定距离处设有入液口 12和出液口 13，液体可以从入液口 12流入，在金属管1内部经处理后从出液口 13流出。图2中辐射器的各组成部分的振动方式与图1类似，Al和A3分别表示换能器30及哑铃棒形变幅杆20和换能器31及哑铃棒形变幅杆21的纵向位移振幅分布曲线，A2表示金属管径向振动的位移振幅分布曲线。如图3所示，是本发明的第三实施例的示意图。本实例提供了一种径向360度方向辐射超声波的全方位超声辐射器，其基本结构与图1中所示的类似，但在金属管1 一端设有的开口 11用金属盖14封闭。在本实施例中，当辐射器在工作时，让辐射器浸入到处理液中，辐射器的纵向及径向的高频复合振动向金属管1的管外处理液中辐射纵向及径向的超声波，形成一种全方位超声波辐射器，利用纵向振动和径向振动模式的合理转换，使换能器 30的一维纵向超声辐射转换为金属管的三维全方位超声辐射，有效地增大了辐射器的超声辐射面积，提高了系统的电声转换效率。图3所示的辐射器在工作时其振动方式与图1所示的完全相同，同样用Al表示换能器及 铃棒形变幅杆纵振动的位移振幅分布曲线，A2表示金属管径向振动的位移振幅分布曲线。如图4所示，是本发明的第四实施例的示意图。在本实施例中，为了进一步增大辐射器的功率，提高辐射器金属管1的径向超声辐射强度，对径向振动金属管1采用纵向双端激励的方式，即在第三实施例的基础上增加了 铃棒形变幅杆40、换能器31、双头螺栓51、 密封防水套体61，且这些部分的连接方式与第一实施例中的对应部分的连接方式完全相
6同。为了保证本实施例中金属管1的两端受到完全对称的纵向激励， 铃棒形变幅杆40及换能器31的材料、结构尺寸及性能参数要求与 铃棒形变幅杆20及换能器30的材料、结构尺寸及性能参数要相同。图4中辐射器的各组成部分的振动方式与图3类似，Al和A3分别表示换能器30及哑铃棒形变幅杆20和换能器31及哑铃棒形变幅杆21的纵向位移振幅分布曲线，A2表示金属管径向振动的位移振幅分布曲线。图5、图6、图7和图8分别是本发明的第五、第六、第七和第八实施例。第五、第六、 第七和第八实施例的基本结构及振动工作原理分别与第一、第二、第三和第四实施例类似， 不同之处在于金属管1由等截面金属圆管改进为中间大两端小的变截面金属圆管。把金属管1的结构由等截面金属圆管改进为中间大两端小的变截面金属圆管，可实现以下好处
(1)中间大两端小的变截面金属圆管结构类似于水声上大量使用的弯张结构换能器壳体，该结构的金属管1具有放大位移振幅的功能，即当金属管1受到纵向激发位移产生径向振动时，能够产生比纵向激发位移振幅更大的径向位移振幅，且径向位移相对于纵向激发位移的放大倍数与变截面的形状有关。因此，当把金属管1的结构由等截面改进为变截面的弯张结构后，在同样的纵向激发位移振幅下可提高金属管1的径向位移振幅，从而增强金属管1在径向振动时向管内或管外的超声辐射强度。(2)在金属管1的端面积相同的情况下，中间大两端小的变截面弯张结构的金属圆管较之等截面金属圆管具有更大的超声辐射面积，因此金属管1的结构由等截面改进为中间大两端小的变截面弯张结构后，不仅起到了放大位移振幅的作用，同时也增大了其超声辐射面积。在本发明中，设计时需要注意的问题是(1)金属管1的尺寸的选择要满足使其径向共振频率等于换能器30及31和变幅杆20及40的纵向共振频率；(2)哑铃棒形变幅杆 20及40的五段组成部分其尺寸的选择要合理，特别是当变幅杆的第五段25及45(输出端) 的截面积大于第一段21及41 (输入端)的截面积的情况下，如果五段组成部分的结构尺寸选择不合适的话，变幅杆将不能实现放大输入端位移振幅的功能(甚至起到缩小输入端位移振幅的功能)，因此为了实现变幅杆20及40在其输出端截面积大于输入端截面积的情况下具有较大的位移振幅放大倍数，需要对 铃棒形变幅杆20及40的尺寸参数进行优化设计。(3)本发明的一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器的工作频带很窄，要求超声波发生器能够始终跟踪辐射器的纵径复合振动的共振频率，因此超声波发生器应具有自动频率跟踪的功能。本发明的一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器可应用于大功率超声清洗、超声中草药提取、超声污水处理、声化学及生物工程等相关领域。
权利要求
1.一种大功率tt铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，包括金属管、tt铃棒形变幅杆、换能器及密封防水套体；所述tt铃棒形变幅杆及换能器为纵向振动tt铃棒形变幅杆及换能器；金属管管端与哑铃棒形变幅杆密闭连接；所述哑铃棒形变幅杆由五部分构成，依结构顺序为第一圆柱体、第二变截面体、第三细圆柱体、第四变截面体和第五圆柱体，第五圆柱体的截面积大于第一圆柱体，第一圆柱体的截面大于第三细圆柱体，第一圆柱体连接换能器，第五圆柱体连接金属管；哑铃棒形变幅杆的纵振位移振幅节面处设有法兰盘，法兰盘连接密封防水套体，密封防水套体将换能器容纳在内；金属管的径向共振频率等于换能器和哑铃棒形变幅杆的纵向共振频率；换能器的纵向振动经 铃棒形变幅杆放大并激发金属管的径向振动，超声能量在金属管内产生汇聚或在管外径向360度方向全方向辐射，以对管内及管外液体施以强大超声能量。
2.根据权利要求1所述的一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，所述金属管只有一端与哑铃棒形变幅杆连接，另一端为开口，所述开口为敞口，金属管侧壁在靠近哑铃棒形变幅杆处设有液体流出口。
3.根据权利要求1所述的一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，所述金属管只有一端与哑铃棒形变幅杆连接，另一端为开口，所述开口处设有将其密封的金属盖；工作时，将辐射器浸入到处理液中，辐射器的纵向及径向的高频复合振动向处理液中辐射纵向及径向的超声波，形成一种全方位超声波辐射器，利用纵向振动和径向振动模式的合理转换，使换能器的一维纵向超声辐射转换为金属管的三维全方位超声辐射，有效地增大了辐射器的超声辐射面积，提高了系统的电声转换效率。
4.根据权利要求1所述的一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，所述金属管的两端都与哑铃棒形变幅杆连接。
5.根据权利要求4所述的一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，所述金属管侧壁在近两端处分别设有入液口、出液口。
6.根据权利要求4所述的一种大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，所述金属管侧壁未设置入液口和出液口。
7.根据权利要求1飞任一项所述的大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，金属管是等截面形状结构或中间大两端小的变截面形状结构。
8.根据权利要求1飞任一项所述的大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，哑铃棒形变幅杆和金属管为螺纹连接或为一体结构。
9.根据权利要求1飞任一项所述的大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，换能器与哑铃棒形变幅杆通过双头螺杆连接。
10.根据权利要求广6任一项所述的大功率 铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器， 其特征在于，哑铃棒形变幅杆的长度等于换能器工作频率对应的一个等效波长。
全文摘要
本发明涉及一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，包括金属管、哑铃棒形变幅杆、换能器及密封防水套体；变幅杆及换能器为纵向振动；金属管管端与哑铃棒形变幅杆密闭连接；变幅杆依结构顺序由第一圆柱体、第二变截面体、第三细圆柱体、第四变截面体和第五圆柱体组成，第一圆柱体连接换能器，第五圆柱体连接金属管；变幅杆的纵振位移振幅节面处设有法兰盘，法兰盘连接密封防水套体，密封防水套体将换能器容纳在内；金属管的径向共振频率等于换能器和哑铃棒形变幅杆的纵向共振频率。本发明金属管向管内或向管外形成全方位超声波辐射；金属管的径向尺寸不受换能器径向尺寸的限制；同样的纵向激发频率和纵向激发位移振幅下，径向振动更强烈。
文档编号B06B1/10GK102527628SQ201210012240
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者许龙 申请人:中国计量学院