专利名称：T型大功率超声波换能器的制作方法
技术领域：
本发明属于超声频机械振动的产生或传递设备研究技术领域，特别涉及一种T型大功率超声波换能器。
背景技术：
在功率超声及水声领域，纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器，又称为郎之万换能器的应用较广，例如用于超声清洗、超声金属和塑料焊接以及超声加工等等。其结构主要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金属前盖板，另一端设置金属后盖板，前盖板的结构为锥形台结构。此类换能器的机电转换效率高、功率容量大。但由于此类纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器本身理论及结构所限，存在如下不足之处:1、纵向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，因此此类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，因而极大地限制了此类换能器的声波辐射面积及辐射功率。2、对于夹心式纵向振动压电陶瓷超声换能器，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。鉴于上述问题，为了适应超声技术的迅速发展，有必要研发新型的功率超声换能器，以克服目前夹心式纵向振动超声换能器所存在的一些突出问题，即辐射功率和声波辐射面积的限制问题
发明内容
为了克服现有技术中的超声换能器所存在的不足，本发明提供了一种能够实现换能器中纵向和弯曲振动模式的有效转换，增大换能器的辐射面积，改善换能器的声匹配，提高换能器的辐射功率的T型大功率超声波换能器。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:该T型大功率超声波换能器是沿着纵向振动传递方向依次设置有后盖板、压电陶瓷堆以及振动盘，压电陶瓷堆设置在振动盘的中心面上，振动盘的直径至少是压电陶瓷堆的直径的3倍。上述振动盘的直径是压电陶瓷堆的直径的3 6倍。上述后盖板是圆形金属盖板，压电陶瓷堆是由同轴设置的至少2个压电陶瓷片组成，后盖板直径至少是压电陶瓷直径的1.02倍，优选1.02 1.12倍。上述后盖板是钢板、铜板或钢铜合金板。上述振动盘是圆形金属板，具体是铝、钛、镁以及铝钛合金、钛镁合金、铝镁合金中的任意一种。本发明的T型大功率超声波换能器将传统的夹心式压电陶瓷换能器中产生纵向振动的锥形台金属圆柱换成大尺寸的可以产生弯曲振动的金属圆盘，利用纵向振动压电陶瓷振子产生纵向振动，激发与其直接连接的金属圆形振动盘产生同频的振动，并向介质中辐射声波，借助于振动模式的转换，在金属圆形振动盘中产生弯曲振动，实现纵向和弯曲振动模式的有效转换，由于振动盘的直径大，大大改善了换能器辐射声场的均匀性，可以有效地增大换能器辐射面积，实现大功率工作，同时增大换能器的辐射阻抗，改善换能器的声匹配，提高换能器的辐射效率，另外，由于弯曲振动圆盘具有很多的振动模态，因此，此类换能器可以工作于不同的振动模态上，辐射不同频率的超声波，从而构成一种多频工作的超声源，该发明可广泛应用于超声清洗、超声提取、超声乳化、超声防垢以及超声化学等液体处理技术中。
图1为实施例1的换能器结构示意图。
具体实施例方式现结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述实施的情形。 实施例1本实施例以20千赫兹的T型大功率超声波换能器为例，由图1可以看出，本实施例的超声波换能器由振动盘1、压电陶瓷堆2以及后盖板3联接构成。本实施例的振动盘I是由高强度、低损耗的轻金属材料制成，本实施选用铝合金材料制成，其几何形状为圆盘形状，其直径为180mm,厚度为18mm,在振动盘I的中心位置通过高强度的金属螺栓联接有压电陶瓷堆2，压电陶瓷堆2是由4片压电陶瓷片同轴叠放成厚度为24_的圆柱体，每个压电陶瓷片的厚度为6mm，直径为60_，即振动盘I的直径为压电陶瓷片直径的3倍，压电陶瓷片之间通过强力胶粘接固定，在压电陶瓷堆2的另一端固定有后盖板3，后盖板3采用高强度、低损耗的重金属材料制成，本实施例中选用钢材料，其几何形状为圆盘形，直径为61.2mm，即为压电陶瓷片直径的1.02倍。后盖板的高度是72mm。由压电陶瓷堆2与后盖板3联接组成纵向振子，与振动盘I结合形成截面为T型结构的超声波换能器，由纵向振子产生纵向振动，激发与其直接联接的振动盘I产生同频的弯曲振动，从而向介质中福射20千赫兹的声波。实施例2本实施例以25千赫兹的T型大功率超声波换能器为例，振动盘I的几何形状为圆盘形状，其直径为260_，厚度为21_，在振动盘I的中心位置通过高强度的金属螺栓联接有压电陶瓷堆2，压电陶瓷堆2是由4片压电陶瓷片同轴叠放成厚度为24_的圆柱体，每个压电陶瓷片的厚度为6_，直径为50_，即振动盘I的直径为压电陶瓷片直径的5.2倍，压电陶瓷片之间通过强力胶粘接固定，在压电陶瓷堆2的另一端固定有后盖板3，后盖板3采用高强度、低损耗的钢材料制成，其几何形状为圆盘形，直径为52mm，即为压电陶瓷片直径的1.04倍，后盖板的高度是52_。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。实施例3本实施例以30千赫兹的T型大功率超声波换能器为例，振动盘I的几何形状为圆盘形状，其直径为206_，厚度为15_，在振动盘I的中心位置通过高强度的金属螺栓联接有压电陶瓷堆2，压电陶瓷堆2是由4片压电陶瓷片同轴叠放成厚度为24_的圆柱体，每个压电陶瓷片的厚度为6mm，直径为50mm，即振动盘I的直径为压电陶瓷片直径的4.12倍，压电陶瓷片之间通过强力胶粘接固定，在压电陶瓷堆2的另一端固定有后盖板3，后盖板3采用高强度、低损耗的钢材料制成，其几何形状为圆盘形，直径为52mm，即为压电陶瓷片直径的1.04倍，后盖板的高度是42mm。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。实施例4本实施例以35千赫兹的T型大功率超声波换能器为例，振动盘I的几何形状为圆盘形状，其直径为210_，厚度为18_，在振动盘I的中心位置通过高强度的金属螺栓联接有压电陶瓷堆2，压电陶瓷堆2是由4片压电陶瓷片同轴叠放成圆柱体，每个压电陶瓷片的厚度为5mm，直径为35mm，即振动盘I的直径为压电陶瓷片直径的6倍，压电陶瓷片之间通过强力胶粘接固定，在压电陶瓷堆2的另一端固定有后盖板3，后盖板3的几何形状为圆盘形，直径为38.5mm,即为压电陶瓷片直径的1.1倍，后盖板的高度是36_。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。
实施例5本实施例以40千赫兹的T型大功率超声波换能器为例，振动盘I的几何形状为圆盘形状，其直径为180_，厚度为15_，在振动盘I的中心位置通过高强度的金属螺栓联接有压电陶瓷堆2，压电陶瓷堆2是由4片压电陶瓷片同轴叠放成圆柱体，每个压电陶瓷片的厚度为4.5_，直径为40_，即振动盘I的直径为压电陶瓷片直径的4.5倍，压电陶瓷片之间通过强力胶粘接固定，在压电陶瓷堆2的另一端固定有后盖板3，后盖板3的几何形状为圆柱形，直径为44.8_，即为压电陶瓷片直径的1.12倍。后盖板的高度是31_。其它的部件及其联接关系与实施例1相同。实施例6上述实施例1 5中的圆形振动盘I可采用钛合金材料制成，在振动盘I的中心位置通过高强度的金属螺栓联接有压电陶瓷堆2，压电陶瓷堆2是由2片压电陶瓷片同轴叠放，在压电陶瓷堆2的另一端固定有后盖板3，后盖板3采用铜材料制成。其它的部件及其联接关系与相应实施例相同。实施例7上述实施例1 5中的圆形振动盘I可采用钛合金材料制成，在振动盘I的中心位置通过高强度的金属螺栓联接有压电陶瓷堆2，压电陶瓷堆2是由6片压电陶瓷片同轴叠放，在压电陶瓷堆2的另一端固定有后盖板3，后盖板3采用铜材料制成。其它的部件及其联接关系与相应实施例相同。实施例8上述实施例1 7中的圆形振动盘I还可以采用镁或者钛镁合金或者铝镁合金或者铝钛合金材料制成，后盖板3可以采用钢与铜的合金材料制成。其它的部件及其联接关系与相应实施例相同。上述实施例中的后盖板3、压电陶瓷堆2以及振动盘I的尺寸还可根据实际应用而进行调整。另外，换能器的频率也可以根据实际的应用及要求进行具体的设计。
权利要求
1.一种T型大功率超声波换能器，其特征在于:沿着纵向振动传递方向依次设置有后盖板(3)、压电陶瓷堆(2)以及振动盘(1)，压电陶瓷堆(2)设置在振动盘(I)的中心面上，振动盘(I)的直径至少是压电陶瓷堆(2)的直径的3倍。
2.根据权利要求1所述的T型大功率超声波换能器，其特征在于:所述振动盘(I)的直径是压电陶瓷堆(2)的直径的3 6倍。
3.根据权利要求1所述的T型大功率超声波换能器，其特征在于:所述后盖板(3)是圆形金属盖板，压电陶瓷堆(2)是由同轴设置的至少2个压电陶瓷片组成，后盖板(3)直径至少是压电陶瓷直径的1.02倍。
4.根据权利要求3所述的T型大功率超声波换能器，其特征在于:所述后盖板(3)直径是压电陶瓷直径的1.02 1.12倍。
5.根据权利要求3或4所述的T型大功率超声波换能器，其特征在于:所述后盖板(3)是钢板、铜板或钢铜合金板。
6.根据权利要求1所述的T型大功率超声波换能器，其特征在于:所述振动盘(I)是圆形金属板，所述金属是铝、钛、镁以及铝 钛合金、钛镁合金、铝镁合金中的任意一种。
全文摘要
本发明涉及的一种T型大功率超声波换能器，是利用纵向振动压电陶瓷振子产生纵向振动，激发与其直接连接的金属圆形振动盘产生同频的振动，并向介质中辐射声波，借助于振动模式的转换，在金属圆形振动盘中产生弯曲振动，实现纵向和弯曲振动模式的有效转换，大大改善了换能器辐射声场的均匀性，可以有效地增大换能器辐射面积，实现大功率工作，同时增大换能器的辐射阻抗，改善换能器的声匹配，提高换能器的辐射效率，另外，由于弯曲振动圆盘具有很多的振动模态，因此，此类换能器可以工作于不同的振动模态上，辐射不同频率的超声波，从而构成一种多频工作的超声源。
文档编号B06B1/06GK103212532SQ201310146169
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者林书玉 申请人:陕西师范大学