专利名称：超声振动产生以及应用的制作方法
在本明是关于超声振动产生及应用。
通常用超声清洗电一机械换能器，典型的为一种压电换能装置，其中清洗液由提供液体振动的固定频率电信号驱动。
一种普通接受的理论是这样来解说超声清洗的，即该超声能量引起气蚀沸涌(Cavitation bubbles)，在液体中，声压超过实际操作温度和压力条件下的液体蒸发压力。该种理论是这样的，当该气蚀沸涌消失时，其作用非常突然并且非常有力，就像峰值能量脉冲通过该液体而起到清洗效果。
在现在进行的试验中，我们已经发现这种机制，不是最初的清洗机制，而是不再呈现为最重要的机制作用，并且在实际上先前接受的这种理论已试图导致主要在于优先发射频率，以便得到最大的功率输出，从而引起伴随声“热点”建立起驻波，这种声“热点”将促进气蚀沸涌。
我们的试验指出，如果我们不是试图由选择频率优选功率输出在有效的时间间隔促进这种气蚀，而是用这样的方法将超声振动输入清洗液，那就是该输入能量在一短的时间间隔上平均均匀分布通过该清洗液，则可获得非常值得注意的改善的清洗效应，而无必增加电源的输入能量。
进而，这种情况将允许实质性地重新考虑电源的必要性，因为它降低了对功率的要求。
在US4，736，130中PusKas公开了具有7个可控变量的设备，它们是1)功率脉冲序列的持续时间，跟随2)不起作用的时间间隔，3)在功率序列时间期间单个功率脉冲的持续时间，4，在单个功率脉冲之间不起作用时间的持续时间。
5，每一个功率脉冲的幅调范围。
6)平均发射功率，以及7，频调指数，PusKas陈述，就7)而论，“扫频功能元件的最大和最小频率最好是在换能器的合理的范围内”没有什么限制强加于该频率扫描率。
在US4，398，925中，Trinh等公开了一种在液体中用来移动沸涌的超声发射设备，它揭示出该发射频率从0.5KHZ到40KHZ扫描，并且上下限频率之间的比值限制至少为10倍。该扫描率“十分的缓慢，使得每一个沸涌至少振荡若干周期”，4，398，925进一步指出，如果每一种频率扫描限制在约10秒或更长，则连续扫描约15分钟以后，多数沸涌将被移动。
在US3，648，188和4，588，917中Ratcliff公开了一种功率振荡设备，它具有不同的谐振调节和可能的反馈元件用来产生振荡。
US4，864，547描述产生一种软起动装置以及改变加到换能的功率的装置。
描述了若干锁相环设备，从而该换能器的一个谐振频率可由该驱动电子线路锁定，US4，743，365是该种设备的一个例子，它描述了用来搜索谐振然后将其锁定的装置。
本发明的一个目的是提供关于超声振动设备的改进以及对给定输入功率具有比现有的更有好的清洗效应的方法。
在该发明的一种形式内可以比方说归属于一种设备，包括一个液体容器，至少包括一设置的一个电转机械的换能器，以便有效的使超声振动发射进入该容器内，以及还包括用电驱动所说换能器的装置，该装置的特征在于该所说装置适于提供一个电驱动信号，以便该换能器的超声振动输出将产生其频率随时间快速变化的输出。
当同那些先有的公开的相比较的时候，测量频率变化的速度其目的是促进能量的高度集中，以维持“热点”或沸涌移动，如果在目前的建议中形成气蚀沸涌，则清洗效果能够借助更快的频率变化速率而得到改善。
发明的另一种形式可以比方说依赖于产生超声清洗的方法，该方法包括通过至少一个电转换机械换能器发射进入一液体容器的步骤，设置换能器是使超声振动发射进入该容器，一电驱动信号，例如换能器的超声振动输出将产生其频率随时间快速变化的输出。
按照本发明的更进一步的形式，提供一种产生超声振动的有效的方法，它包括实现用电驱动信号驱动一电转机械换能器，频率是许多不同的频率，该使用的频率是重复出现的迅速变化的序列。
一般地说，一个压电介质对于多数频率是呈容性的。如果用一个普通的放大器直接驱动该换能器，通常一个大的电抗性分量电流将来自所说的放大器，除非该频率这样进行选择，在该频率上换能器的阻抗量呈现电阻性的，这种情况或许在一个或两个换能器具有槽路以及包含许多谐振的情况下发生(不是所有的谐振，如果在那个频率上任何一个谐振将提供一纯阻阻抗的话)。
但是，如以前确实陈述的那样，如果该阻抗非常依赖于许多参量，则不得不使用精巧的反馈技术，如果的确可能的话，用高价格和复杂的电路来确定最好的电阻性阻抗。
一种帮助改善效果的方法是联接一电感同换能器并联，其选择值应当在该驱动频率上提供该换能器电感联接谐振，但是，这样一种建议的装置是一种电路装置，这种装置例如一般使用双极功率晶体管，由于当一有效电压仍然存在于驱动放大器/振荡器的发射极和集电极之间时存在着电流流动而导致显著地无效果。
因此，按照本发明，提供一种进一步的改型，就是该驱动电子电路提供脉冲形式的驱动电能，其优点是能使用的该驱动器件是开关型器件，因此，它们能充分接通或充分断开，并且由此提供实质上小的功率损耗。
这可选择一种矩形方式的驱动能或方波式的驱动能。
在特定的情况，最好既提供一种方法，该方法包括用电脉冲实现换能器的驱动，还提供用于这种目的的设备，它包括脉冲驱动该换能器。
如果该驱动电子电路提供由固态开关元件产生的方波信号，该固态元件反复接通一正的或负的电流源，在那里“接通”电阻低，而“断开”电阻高，因此，当所说信号转换到正板条(Rail)时，连接到负电源的开关“断开”，而信号转换到负电源时，连接到正侧的开关“断开”，而且，如果该正的和负的电源在选定的工作频率或选定的频率范围，由于例2去耦电容连接在电源板条(Rail)之间呈现低电阻，则驱动电子电路将产生很少的热量，以上假定不存在大的谐波电流。
如果一种方法直接连接到该换能器，大电流将向换能器的电容充电或放电。对于最佳形式，这种情况可借助于在换能器和开关电路间放置电抗性元件来克服。由此对谐波的阻抗呈现出电感性。实施它的一种方式是在换能器和该方波源之间放置一个电感。
对于进一步优选的形式，该设置的电感同一个电容串联，由此，这种连接的谐振被选择为近似于所选择的平均工作频率。如上所述，如果这是连接到换能器/并联电感或换能器/并联电感/变压器连接，则获得两个优点，即有效的电子电路不存在高谐波电流，而大的换能器电容元件实质上被抵消。
因此，一低阻抗方波源，它反复地换接于电源板条(Rails)之间，该板条在平均工作频率上，馈送一系列电感/电容谐振，该平均工作频率依顺序馈送给具有选择来同换能器电容谐振的并联电容的换能器，在高效率电子电路中具有优点，不是不必需的实质上是电抗性的电流流过所说开关以及高额生产的再生电子电路电源。
为在上述槽路状况下为进一步降低平均声能的依赖性，一扫描频率有助于具有关于该平均发射功率的净平均效应，往返于不同槽路状况的一个宽的范围。当该频率扫描通过该谐振时那就是峰值，但是在不接近谐振的频率上是低的。应当指出，当声能高时，该谐振是很宽的，这是因为由于非线性存在着一个占支配地位的电阻分量。
这种扫描装置，对于低价高超的生产超声单元是最有用的。
具有低阻抗方波驱动的该谐振电路装置(上面已提到的)具有这种特性，即由于其电抗性电流仅仅流过该驱动电路不产生耗散热量，亦即通过低的电阻性开关，一电源去耦电容器以及通过该无耗散的谐振电路，则流至驱动电路的平均电流实质上仅仅依赖于该换能器的电阻性电流，因此，该网络的电抗性电流平均为零。
为了更好地理解本发明，将结合附图描述最佳实施例
图1是本发明的一个实施例的电路装置。
参照图1，该电压控制频率源1通过其输出端2馈送方波信号给史密特2端(Schmitt Z-ip)与门3。一个输入端直接馈送，而另一输入端由包括一串联电阻4和集合电容5(10K和68Pf)组成的短时间常数RC滤波器“延迟”馈送。仅仅当两个输入均为高电平时，其输出为高电平，因此，由于在该输出端存在一短延迟，在2端形成高电平跟随低电平到高电平的过渡。因此，在输出3的低电平持续时间略长于高电平。同样，输出端2的信号由反相器9反相，然后馈送到由相应2输入端(施密特与门10)，串联电阻11和“积分”电容12组成的另一相似的延迟电路。10的输出相对于3的输出是反相的，并且其低电平的持续时间稍长于高电平。要指出的是在两个所说输出端，对于跟随高电平的周期的一小部分，3和10的输出两者同时为低电平。如后面所描述，这样的设计将保证仅仅1MOSFET(两MOSFETS19或20中之一)是处于导通状态的。
该与门3馈送到由双极晶体管7和8(BC368/9)组成的一个发射极跟随缓冲器，该双极晶体管7和8馈送给去耦电容17(47nf)后者通过一电阻18(47K)直流(DC)接地。该47nf电容依次连接到下拉(下推輓)(Pull-down)功率MOSFET开关19(BuK445-200A)的删极与门10的输出也馈送到由双极晶体管13和14(BC368/9)组成的一个发射极跟随缓冲器，双极晶体管13和14依次通过电容器15再馈送到一脉冲变压器16，而脉冲变压器16的输出连接到该“上拉”(上推挽)功率MOSFET20的删极和源极。还有一个由电阻21同电容22(220Ω串联2.2nfd)串联连接组成的阻尼RC组合并接到16的输出，以减少由于16的漏感同MOSFET20的输入和反馈电容谐振产生的过渡过程。
二极管23和36在某些工作环境下保护MOSFETS19和20，我们已经发现，所有的功率FETS包含一个附加二极管，对多数操作，它通常反向偏置，并且这种二极管典型地具有1微秒的反向恢复时间，而负载阻抗是电阻性的以及可以感性的或者容性的，如果二极管23和36不和每个FET串联这个二极管可以正向偏置，当另一FET导通时(经过它的删极)，如果一个FET的附加二极管有电流流过它，则该电源将被短路1微秒，同时将有一个很大的自毁电流通过该附加二极管和所说导通的FET。如果二极管22和23是快速恢复型的(例如 20ns型的)，则在最坏情况，这个高电流将多数流通20ns，但是由于电抗性电流将通过二极管25和27而受到控制，这种情况未必是可能的，因为将两个二极管23或36都处于导通状态是困难的，二极管25和27也是快速恢复型的，因而将限制高电流的持续时间。在实际上，这个很短(数+毫微秒)的高电流不引起任何异常地去操作FETS这和微秒级的高电流不同。
往下拉(下推挽)MOSFET19的漏极通过一低值电感/变压器24连接到向上拉(上推挽)MOSFET的源极。这将减少在MOSFETS(19和20)中电流过渡过程。二极管25连接在向上拉(上推挽)MOSFET′S漏极和高电压电源板条(Rail)26之间。
这样夹紧了对板条的最大漏极电压(对于110V电源最大约150V)，对于同样的相应原因，另一个二极管27连接到向上拉(上推挽)MOSFET20的源极和地之间。这高电压电源板条26由一个全波整流器28馈电，该整流器由主电源馈电，它具有去耦和平滑作用，平滑电容29连接在高电压电源板条26和地之间。
该低值电感/变压器24的中点馈送到输出端30，在该点上，波形是平均频率F1(典型地约43KHZ)的一个方波。
一个串联LC谐振器31和32连接在30和电感/变压器33之间。31和32的谐振频率被置在接近(对43KHZ为100nfd和137μH)。电感/变压器33的次级绕组34用线路的其余部分绝缘。并连接到超声换能器35。该次级绕组34的电感(初级开路)被设计为同换能器(对于43KHZ换能器，电容具有8.2nfd绕组电感1.67mH)的并联电容近似地谐振在频率F1上。
该电感/变压器33初级线圈匝数被选择来产生一合适的变压器比，从而获得一个选择的平均发射功率。在换能器串联谐振时，在串联LC谐振器31和32的输入端呈现电阻性的阻抗。该装置的优点在于高频谐波被滤除(即该开关部分)，以及该(大的)电抗性电流分量(安培量级)，由于该(大的)并联换能器电容只通过换能器和次级电感34电路，要注意，由于这个电抗性分量，在初级绕组33中以及因此在MOSFETS中的额外电流可能在幅值上超过两倍，如果不是对于谐振电感34的话，则在某些时候这可能在MORFETS中产生热损耗。
这里提供一个可变频率源于电压控制频率源中，该压控频率源提供一方波信号并通过频率范围39到47KHZ作线性扫描(扫描范围从较低频到较高频，重复频率至少为40HZ，或者至少为20HZ从低频到高频然后从高频到低频)。
所描述的装置的特征是这里提供了一个超声振动发生器，其中有一个电转机械的同一个电感并联的换能器，该电感由一低阻抗方波源通过谐振器(由串联电感和电容组成)，在所谐振器谐振频率上，它的阻抗是感性的。
现在说明超声清洗在槽中的能量如何产生气蚀(Cavitation)，那就是由于声压超过在工作温度和压力下的液体的蒸发压力，该液体从液态转变成汽态，当该气蚀沸涌消失时，该消失的“猛烈性”把污物推离开清洗物。
我们已经发现，采用上述技术，在数立方米尺度的槽中，用n百瓦那样低的功率，就有可能产生强烈的清洗作用。
在先产品或已经使用固定频率发射，或将按锁相环装置方式将使用可变频率发射，以便优先输出功率，因此，一旦环路锁定，超声池条件建立，则将存在有效的固定频率发射。某些产品具有若干换能器，每一个换能器工作在不同固定的或准固定的频率上。如果在这些槽中发射超声功率高，则由于建立起驻波而产生气蚀，这将产生比它的其它地方更强的区域。
我们已经看出，借助气蚀的问题在于，该气蚀部位起催化区作用，在那里，声能将进一步集中，以及这些部位一般可以在槽的任何地方产生，在那里声区现在(或过去)高，而在清洗物的表面产生一个部位的可能性是低的，应当指出，人们熟悉在“中性”流体中超声将不能依靠自身产生有效的清洗，以及对于有效的超声清洗无必存在洗涤剂或其他的媒剂，后者本身是化学附属物或和污物起化学反用。这种事实并不很适合于建立于成为超声清洗主要理由的气蚀理论。
我们相信超声清洗有效的主要原因是由于超声横穿清洗物表面的传导流体的快速来回移动。这种流体包括洗涤剂，该洗涤剂依次同污物质点具有化学亲合力，而且清洗化学物质的来回移动将在污物质点上产生剪切力，从而使它们脱离该清洗物。
因此，要描述在池中，在气蚀产生的液面下的任何局部位置保持声压。
显著的气蚀沸涌要求时间来产生。因此一个高声压必须在气蚀产生前大于若干时间间隔出现在槽的任何点。
从具有坚持显著“时间长度”的高局部能量意义上看驻波是波的最坏的类型。
为减少驻波，我们的解决方案是频率快速变化。
而这可以用若干不同的方法来获得最简单的方法是，连续地快速地在一个合理的相当大的频率范围上扫描发射的频率。当该声音反射离开所有表面时，到达槽中任何一点的该声音将包括不同的频率范围，当所说分量离开它的声源时，每一分量依赖于传播途径的距离以及特别依赖于发射频率。如果这种扫描很慢，则慢慢移动的驻波模式将建立起来，以及由于局部超声“热点”为了产生气蚀将坚持足够长时间间隔而能够产生气蚀，因此快的扫描速度是必要的。
例如如果频率偏移主频率±10%，则对于1立方米槽子的尺寸，一般扫描周期时间需大于约20HZ。
另一方面，频调可以是随机的或是准随机的或者实质上幅调也可产生频率边带，因此，所说有效的随机频率范围可由频调产生，也可由幅调产生，或者由两者产生，只要在槽中任一点的频率范围变化足够快，以消除在具体声压，温度和蒸发压力上要求的为大于该时间间隔而坚持的获得强声压的机会，从而产生显著的气蚀的含量(水平)。
例如，如果频率偏移主频率±10%，则对于一立方米槽子的尺寸。一般扫描周期时间需大于约40HZ。需指出的是如果该频率先上升然后下降，每升40HZ扫描能描写成上升和下降渗漏率为20HZ。还要指出，如果其他地方所描述的，存在着许多谐振带，每个带包括许多谐振，那就是如在许多教科书和专利所描述的，这里不存在正好是“一个”谐振频率。在中心频率约±10%上扫描一般将复盖一个谐振带的大部分，并且可以超过所说谐振带的局部限制。
如果该扫描范围增加X%，并且每秒扫描数减少X%，将产生相似的结果，因此，对于至少40HZ的每秒扫描±10%扫描范围，在数学上相当于至少“每秒400%中心频率”的扫描。
另一方面频调可以是随机的或准随机的，或者实际的幅调也产生频率边带，因此，所说有效的随机频率范围可由频调产生，也可由幅调产生，或由两者产生，只要在槽中任一点的频率范围内变化足够快以清除在具体声压，温度和蒸发压力上要求的为大于该时间间隔而坚持的获得强声压的机会，从而产生显著的气蚀含量(水平)。
对于幅度变化情况的问题在于该换能器的功率限制，那就是对于100%时间在X瓦上可以工作，但对于100/Y%时间在XY瓦可能超载-在这里平均功率是相等的。此外，只要在音频或亚音频范围内，幅度脉冲将产生大的噪声，这可能激怒人们。
因此，连续波扫描频率调到比幅度调制或脉冲调制在消除驻波上更能满足要求。
该低阻抗源至少包括连接到电流源的两个固体开关，在工作频率范围内实际上是去耦的。
虽然本发明已经用例子并参考最佳实施例给予描述，但应当了解可以作出修改或改进，但不脱离如权利要求书中所限定的本发明的范围或精神。
权利要求
1.一种设备包括一个液体容器，至少一个电转机械换能器被放置，以便有效地将超声振动发射到该容器中，以及用电驱动所说的换能器的装置，其特征在于所说装置适合于这样来提供电驱动信号，即换能器的超声振动输出频率，随时间快速变化。
2.按照权利要求1的一种设备其特征在于提供该电驱动信号的装置包括用压电换能器有一个电感与它并联，而电源装置适宜通过串联联接的一电感和电容提供方波功率，电感和电容的各自的值是这样选定的，即各自在一种并联电路情况以及在另一串联电路情况都谐振在选择的平均超声频率上。
3.根据权利要求2的一种设备，其进一步的特征在于，该与换能器并联耦合的电感包括另一个连接到所说串联电路的绕组。
4.按照上述任一权利要求的一种设备，其进一步的特征在于该电源装置包括适宜用开关提供的场效应晶体管，一方波功率脉冲源直接加到该串联电路。
5.按上述最后一权利要求的一种设备，其进一步特征在于每个场效应晶体管具有一个在其输出端串联的二极管，用来阻止电流通过在场效应晶体管中的慢恢复率的附加二极管。
6.按上述最后一权利要求的一种设备其进一步的特征在于有两个场效应晶体管，它们按上推挽和下推挽串联结构方式相连接。
7.按上述任一权利要求的一种设备，其中该超声振动换能器，仅适于提供20HZ～100KHZ的振动范围，而扫描频率在40HZ-2000HZ的范围。
8.一种有效超声振动方法，包括步骤至少通过一个被放置的电转机械换能器向液体容器发射，以便有效地将超声振动发射到该容器中，一个电驱动信号是这样的，换能器的超声振动输出频率随时间快速变化。
9.一种有效超声清洗方法，包括步骤提供一个具有选定的平均超声频率的电驱动信号到一个压电换能器，该换能器与一个装液槽相连，一物体放在槽中，通过串联连接的一个电感和电容把作为矩形波或方波的电源提供给与一个电感并联耦合的换能器上，电感和电容的各自的值使得各自在一种并联电路情况以及另一种串联电路情况都谐振在选择区平均超声频率上。
10.按上述权利要求8或9的任一权利要求的一种方法其进一步特征在于该频率是在连续基础上通过一变化的范围，它约为所选择的平均频率的10%。
11.按上述权利要求7，8或9的任一权利要求的一种方法，其中超声振动仅在20HZ～100KHZ范围内，而扫描频率在40HZ～2000HZ范围内。
全文摘要
一种超声清洗设备和方法，其中，在一个液体容器中设有一个电子电路驱动的换能器(35)，用以在任何所需时间内使频率快速变化，以限制高凝聚污物的产生。所述电子电路中使用了两个场效应晶体管(19和20)，将方波馈送到与电感变压器(33)串联的电感器(31)和电容器(32)中，而电感变压器(33)则与换能器(35)并联。电感器(31)、电容器(32)和与换能器(35)并联的电感变压器(33)被选择成以主驱动频率而谐振。
文档编号B06B1/02GK1078666SQ92105819
公开日1993年11月24日 申请日期1992年6月15日 优先权日1991年6月14日
发明者B·H·坎迪 申请人:哈尔克罗被提名人有限公司