一種大功率啞鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器的製作方法
2023-06-09 21:08:41
專利名稱：一種大功率啞鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波輻射器，特別是涉及一種液體處理的聚焦式或全方位超聲輻射的大功率縱徑複合振動超聲波輻射器。
背景技術：
隨著超聲技術在工業、化工、環保、製藥、油氣田開發等領域的廣泛應用，對功率超聲振動系統提出了更高的要求高效率、大功率和連續穩定工作。當前，在大功率超聲應用領域，由於縱向振動夾心式壓電換能器具有功率密度大、機電轉換效率高以及性能穩定等優點，其應用最為廣泛。但由於縱向振動夾心式壓電換能器本身理論以及結構所限，存在以下不足之處
縱向振動夾心式換能器只能實現超聲能量的單一方向輻射，即換能器的輻射能力基本是沿著其縱軸方向，不能實現超聲能量的360度空間全方位輻射。縱向振動夾心式換能器的設計理論要求換能器的橫向尺寸不能超過換能器所輻射的聲波波長的四分之一，因此縱向振動夾心式換能器的聲輻射面積受到自身理論的限制，極大地限制了縱向振動夾心式換能器的聲波輻射功率和電聲轉換效率。為了提高超聲輻射功率，增大超聲波作用的範圍，傳統的方法是採用布陣的方式， 即把多個夾心式換能器粘在不鏽鋼板上，形成振板。當要求清洗或處理的量較大時，需要把振板增大，這時一個振板上需要粘幾十甚至上百個換能器，有時甚至採用多個振板以滿足大容積超聲清洗和處理要求。對於這種方式，由於每個換能器的輻射面積小，導致效率不高，設備龐大，穩定性差，使用不便。因此振板形式的超聲換能器裝置很難滿足工業規模的超聲清洗和處理的要求。另外，為了提高傳統的縱向超聲振動系統的輻射功率及改善聲波輻射方向，人們提出了圓管式超聲輻射器。如專利號ZL 200510033810. 8，名稱為「超聲液體處理換能方法和裝置」，通過在圓筒形液體容器的一端或兩端設置換能器，使換能器的軸向振動轉換成徑向振動達到對圓筒內液體施加超聲能量的目的。該超聲輻射器通過換能器的縱向振動激發圓筒的高頻縱向振動，利用泊松效應實現圓筒的徑向超聲輻射，從而改善了縱振動夾心式換能器的聲波輻射方向和增大了超聲作用面積，但還存在如下不足
(1)從其幾何尺寸和聲波輻射特性來看，這類超聲波輻射器的振動還是屬於圓管的高階縱向振動，在圓管的高階縱向振動模式下利用泊松效應產生的徑向振動位移相對於換能器的縱向振動位移也較小，因此系統的徑向超聲輻射強度相對較弱。(2)該超聲輻射器的縱向驅動夾心式換能器與金屬圓筒通過焊接等方式直接連接，換能器的徑向尺寸限制了金屬圓筒的直徑很難做到較大，因此該輻射器的超聲作用面積也受制於驅動換能器的徑向尺寸，在筒內處理的液體也相對有限。此外，為了增大圓筒的超聲輻射面積，可通過增加圓筒的長度的辦法來實現，但是圓筒的長度越長，對於同樣的激發頻率下圓筒的縱向振動對應於更高階的縱向高次諧頻振動(頻率一定時，圓筒的長度每增加一個半波長，振動階次增加一階)，在換能器的縱向激發頻率和功率一定的條件下，圓筒的高階縱向諧頻相對於低價縱向諧頻利用泊松效應產生的徑向振動必然更弱，因此在圓筒的更高階縱振模式下管內的徑向輻射聲波也較弱，這也限制了圓筒的縱向尺寸不能做的很大。現有技術中，為了獲得較好的徑向振動模式，通常採用壓電陶瓷圓管與金屬圓管通過熱脹冷縮法嵌套在一起實現整體的徑向模式振動。專利號為ZL 200520075667. 4，名稱為「大功率超聲換能器」的發明專利，採用多級帶有金屬預應力外殼的短圓管壓電換能器單元沿軸向機械串接而成，這種換能器能夠獲得較好的徑向振動模式，但有以下不足
(1)換能器的徑向振動是通過壓電圓管的3-1耦合實現的，其橫向機電耦合係數知較小，因而換能器的機電轉換效率較低。(2)金屬預應力外殼與內部的壓電陶瓷管通過熱脹冷縮法嵌套在一起對壓電陶瓷圓管施加由外向內的單向徑向預應力，此預應力施加的大小很難控制，預應力太小換能器的功率容量受到限制，功率密度較小，預應力過大會引起壓電陶瓷管破碎。此外，該換能器的內電極(導線)直接焊接在壓電陶瓷管內壁的鍍層電極面上，兩者之間為「點」接觸，當換能器輸入電功率較大時，強烈的振動容易弓丨起高壓打火及電極脫落。為了克服上述通過熱脹冷縮嵌套工藝實現的徑向複合換能器的預應力難以調節控制以及機電轉換效率較低的不足，專利號為ZL 200910102^9. X，名稱為「一種大功率超聲複合管」的發明專利，採用多片厚度極化的弧形壓電陶瓷片沿圓周方向均勻排列成環形構成柱面壓電陶瓷堆環組，在柱面壓電陶瓷堆環組外部設有金屬預應力外殼，內側設有擴張式預應力機構，內部的擴張式預應力機構與外部的金屬預應力外殼協同對柱面壓電陶瓷堆環組施加可調節控制的合適的徑向預壓應力，從而有效提高柱面壓電陶瓷堆環組的功率容量，並且該超聲複合管的徑向振動模式是由厚度極化的柱面壓電陶瓷堆環組的厚度振動模式激發，其厚度機電耦合係數kt比壓電陶瓷管的橫向機電耦合係數k31高40%以上，顯著提高了壓電陶瓷的機電轉換能力。雖然該大功率超聲複合管在結構及性能上比以往的壓電陶瓷圓管式複合換能器均有所提高，但也存在一些不足和需要改進完善之處
(1)複合超聲管的結構比較複雜，相對於傳統的夾心式壓電換能器其加工製作工藝較複雜。(2)構成複合管的組成部件較多，各組成部分的結構及尺寸參數均對複合管的性能構成影響，設計時需要考慮的因素及變量較多，同時其製作工藝也需要不斷的改進及完善，比如預應力大小的控制、各組成部分所佔的比例等等。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種大功率、高效率、振動能量強度大、能在徑向 360度方向輻射超聲波的全方位輻射超聲波輻射器。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是
一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，通過在金屬管的一端或兩端設置啞鈴棒形變幅杆，啞鈴棒形變幅杆連接換能器，金屬管的徑向共振頻率等於換能器和啞鈴棒形變幅杆的縱向共振頻率；從而使換能器的縱向振動經現鈴棒形變幅杆放大並激發金屬管的徑向振動，超聲能量在金屬管內產生匯聚或在管外徑向360度方向全方向輻射，以對管內及管外液體施以強大超聲能量。其中，選擇徑向振動金屬管的尺寸應滿足使其徑向振動的頻率等於換能器及變幅杆的縱向振動頻率。在本發明所述的超聲波輻射器中，在所述 鈴棒形變幅杆位移振幅節面處設有法蘭盤，該法蘭盤與密封防水的套體連接。優選地，所述金屬管一端開口或用金屬蓋封閉，另一端固定安裝啞鈴棒形變幅杆。優選地，所述金屬管兩端都固定安裝啞鈴棒形變幅杆。實施本發明的有益效果在於
(1)本發明一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器採用縱向振動換能器及現鈴棒形變幅杆推動金屬管，利用振動模式的轉換將換能器及變幅杆產生的縱向振動轉換為金屬管的徑向振動，實現金屬管向管內輻射超聲波以匯聚超聲能量形成聚焦式超聲波輻射器或向管外徑向360度方向輻射超聲波形成全方位超聲波輻射器。(2)本發明在徑向振動管和縱向激發換能器之間設置 鈴棒形變幅杆不僅起到放大換能器縱向激發位移振幅的作用，同時實現放大換能器輸出端面積的功能，從而使得徑向振動的金屬管的徑向尺寸不再受換能器徑向尺寸的限制可以做得更大，有效提高了徑向振動金屬管的超聲輻射強度，增大了金屬管的超聲波作用面積。(3)本發明所述的金屬管的徑向振動屬於金屬管的基頻徑向振動，並非是金屬管在高階縱向振動時由於泊松效應產生的耦合徑向振動，因此在同樣的縱向激發頻率和縱向激發位移振幅下其徑向振動較之由於泊松效應產生的徑向振動更強烈，從而使得輻射器的輻射效果增強。
圖1是本發明的第一實施例的示意圖。圖2是本發明的第二實施例的示意圖。圖3是本發明的第三實施例的示意圖。圖4是本發明的第四實施例的示意圖。圖5是本發明的第五實施例的示意圖。圖6是本發明的第六實施例的示意圖。圖7是本發明的第七實施例的示意圖。圖8是本發明的第八實施例的示意圖。
具體實施例方式本發明提供了一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器。如圖1所示， 該超聲波輻射器由金屬管1、啞鈴棒形變幅杆20、換能器30及密封防水套體60組成。金屬管1 一端設有開口 11，另一端與啞鈴棒形變幅杆20的輸出端連接(二者的連接方式可通過在啞鈴棒形變幅杆20的輸出端設有陽螺紋，徑向振動金屬管1的連接端管內設有陰螺紋， 二者通過螺紋旋緊連接；或者是徑向振動金屬管1與 鈴棒形變幅杆20加工成一體式結構)，在金屬管1與啞鈴棒形變幅杆20連接一端的側面上距離連接端一定距離處設有液體流出口 13。啞鈴棒形變幅杆20由五部分構成，分別為第一圓柱體21、第二變截面體22，第三細圓柱體23、第四變截面體M和第五圓柱體25，五部分組成一個啞鈴形狀變幅杆，實現對換能器30縱振動位移振幅及輸出端面積放大的雙重功能，從而使徑向振動金屬管1獲得更大的縱向激發位移且金屬管1的橫向尺寸也可設計的更大，增加了該超聲波輻射器的超聲輻射面積和超聲輻射強度，提高了整個振動系統的電聲轉換效率。換能器30與 鈴棒形變幅杆20用雙頭螺杆50連接，在啞鈴棒形變幅杆20的縱振動位移節面處設有法蘭盤沈， 通過法蘭盤沈與密封防水套體60連接，實現對換能器的密封防水保護。該輻射器在工作時，利用振動模式的轉換，通過合理設計金屬管1的尺寸使其徑向振動頻率與換能器30及 鈴棒形變幅杆20的縱向振動頻率一致，換能器30的高頻縱向機械振動經 鈴棒形變幅杆20放大並激發金屬管1的徑向振動，實現換能器30、 鈴棒形變幅杆20和金屬管1三者之間的同頻縱徑複合共振，從而使超聲波能量得以集中作用於金屬管1的內部液體，形成徑向聚焦式超聲波輻射器。圖1中用Al和A2表示該輻射器在工作時其各組成部分的位移振幅分布，其中Al表示換能器及 鈴棒形變幅杆縱振動的位移振幅分布曲線，A2表示金屬管徑向振動的位移振幅分布曲線。由此可以看出，換能器30的長度等於超聲波等效波長的1/2長度(即換能器為半波振子)， 鈴棒形變幅杆20的長度等於一個超聲波波長(即變幅杆為全波振子)，且換能器30的縱向位移振幅經 鈴棒形變幅杆 20後實現了放大；金屬管1在換能器30及啞鈴棒形變幅杆20的縱向激勵下發生徑向共振， 從而實現三者的縱徑複合振動。如圖2所示，是本發明的第二實施例的示意圖。在本實施例中，為了進一步增大輻射器的功率，提高輻射器的金屬管內的超聲輻射強度，對徑向振動金屬管1採用縱向雙端激勵的方式，即在第一實施例的基礎上增加了 鈴棒形變幅杆40、換能器31、雙頭螺栓51、 密封防水套體61，且這些部分的連接方式與第一實施例中的對應部分的連接方式完全相同。為了保證本實施例中金屬管1的兩端受到完全對稱的縱向激勵， 鈴棒形變幅杆40及換能器31的材料、結構尺寸及性能參數要求與 鈴棒形變幅杆20及換能器30的材料、結構尺寸及性能參數要相同。另外，在本實施例中由於金屬管1的兩端均封閉，在金屬管1的兩端側壁距離其兩個端頭一定距離處設有入液口 12和出液口 13，液體可以從入液口 12流入，在金屬管1內部經處理後從出液口 13流出。圖2中輻射器的各組成部分的振動方式與圖1類似，Al和A3分別表示換能器30及啞鈴棒形變幅杆20和換能器31及啞鈴棒形變幅杆21的縱向位移振幅分布曲線，A2表示金屬管徑向振動的位移振幅分布曲線。如圖3所示，是本發明的第三實施例的示意圖。本實例提供了一種徑向360度方向輻射超聲波的全方位超聲輻射器，其基本結構與圖1中所示的類似，但在金屬管1 一端設有的開口 11用金屬蓋14封閉。在本實施例中，當輻射器在工作時，讓輻射器浸入到處理液中，輻射器的縱向及徑向的高頻複合振動向金屬管1的管外處理液中輻射縱向及徑向的超聲波，形成一種全方位超聲波輻射器，利用縱向振動和徑向振動模式的合理轉換，使換能器 30的一維縱向超聲輻射轉換為金屬管的三維全方位超聲輻射，有效地增大了輻射器的超聲輻射面積，提高了系統的電聲轉換效率。圖3所示的輻射器在工作時其振動方式與圖1所示的完全相同，同樣用Al表示換能器及 鈴棒形變幅杆縱振動的位移振幅分布曲線，A2表示金屬管徑向振動的位移振幅分布曲線。如圖4所示，是本發明的第四實施例的示意圖。在本實施例中，為了進一步增大輻射器的功率，提高輻射器金屬管1的徑向超聲輻射強度，對徑向振動金屬管1採用縱向雙端激勵的方式，即在第三實施例的基礎上增加了 鈴棒形變幅杆40、換能器31、雙頭螺栓51、 密封防水套體61，且這些部分的連接方式與第一實施例中的對應部分的連接方式完全相
6同。為了保證本實施例中金屬管1的兩端受到完全對稱的縱向激勵， 鈴棒形變幅杆40及換能器31的材料、結構尺寸及性能參數要求與 鈴棒形變幅杆20及換能器30的材料、結構尺寸及性能參數要相同。圖4中輻射器的各組成部分的振動方式與圖3類似，Al和A3分別表示換能器30及啞鈴棒形變幅杆20和換能器31及啞鈴棒形變幅杆21的縱向位移振幅分布曲線，A2表示金屬管徑向振動的位移振幅分布曲線。圖5、圖6、圖7和圖8分別是本發明的第五、第六、第七和第八實施例。第五、第六、 第七和第八實施例的基本結構及振動工作原理分別與第一、第二、第三和第四實施例類似， 不同之處在於金屬管1由等截面金屬圓管改進為中間大兩端小的變截面金屬圓管。把金屬管1的結構由等截面金屬圓管改進為中間大兩端小的變截面金屬圓管，可實現以下好處
(1)中間大兩端小的變截面金屬圓管結構類似於水聲上大量使用的彎張結構換能器殼體，該結構的金屬管1具有放大位移振幅的功能，即當金屬管1受到縱向激發位移產生徑向振動時，能夠產生比縱向激發位移振幅更大的徑向位移振幅，且徑向位移相對於縱向激發位移的放大倍數與變截面的形狀有關。因此，當把金屬管1的結構由等截面改進為變截面的彎張結構後，在同樣的縱向激發位移振幅下可提高金屬管1的徑向位移振幅，從而增強金屬管1在徑向振動時向管內或管外的超聲輻射強度。(2)在金屬管1的端面積相同的情況下，中間大兩端小的變截面彎張結構的金屬圓管較之等截面金屬圓管具有更大的超聲輻射面積，因此金屬管1的結構由等截面改進為中間大兩端小的變截面彎張結構後，不僅起到了放大位移振幅的作用，同時也增大了其超聲輻射面積。在本發明中，設計時需要注意的問題是(1)金屬管1的尺寸的選擇要滿足使其徑向共振頻率等於換能器30及31和變幅杆20及40的縱向共振頻率；(2)啞鈴棒形變幅杆 20及40的五段組成部分其尺寸的選擇要合理，特別是當變幅杆的第五段25及45(輸出端) 的截面積大於第一段21及41 (輸入端)的截面積的情況下，如果五段組成部分的結構尺寸選擇不合適的話，變幅杆將不能實現放大輸入端位移振幅的功能(甚至起到縮小輸入端位移振幅的功能)，因此為了實現變幅杆20及40在其輸出端截面積大於輸入端截面積的情況下具有較大的位移振幅放大倍數，需要對 鈴棒形變幅杆20及40的尺寸參數進行優化設計。(3)本發明的一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器的工作頻帶很窄，要求超聲波發生器能夠始終跟蹤輻射器的縱徑複合振動的共振頻率，因此超聲波發生器應具有自動頻率跟蹤的功能。本發明的一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器可應用於大功率超聲清洗、超聲中草藥提取、超聲汙水處理、聲化學及生物工程等相關領域。
權利要求
1.一種大功率tt鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，包括金屬管、tt鈴棒形變幅杆、換能器及密封防水套體；所述tt鈴棒形變幅杆及換能器為縱向振動tt鈴棒形變幅杆及換能器；金屬管管端與啞鈴棒形變幅杆密閉連接；所述啞鈴棒形變幅杆由五部分構成，依結構順序為第一圓柱體、第二變截面體、第三細圓柱體、第四變截面體和第五圓柱體，第五圓柱體的截面積大於第一圓柱體，第一圓柱體的截面大於第三細圓柱體，第一圓柱體連接換能器，第五圓柱體連接金屬管；啞鈴棒形變幅杆的縱振位移振幅節面處設有法蘭盤，法蘭盤連接密封防水套體，密封防水套體將換能器容納在內；金屬管的徑向共振頻率等於換能器和啞鈴棒形變幅杆的縱向共振頻率；換能器的縱向振動經 鈴棒形變幅杆放大並激發金屬管的徑向振動，超聲能量在金屬管內產生匯聚或在管外徑向360度方向全方向輻射，以對管內及管外液體施以強大超聲能量。
2.根據權利要求1所述的一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，所述金屬管只有一端與啞鈴棒形變幅杆連接，另一端為開口，所述開口為敞口，金屬管側壁在靠近啞鈴棒形變幅杆處設有液體流出口。
3.根據權利要求1所述的一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，所述金屬管只有一端與啞鈴棒形變幅杆連接，另一端為開口，所述開口處設有將其密封的金屬蓋；工作時，將輻射器浸入到處理液中，輻射器的縱向及徑向的高頻複合振動向處理液中輻射縱向及徑向的超聲波，形成一種全方位超聲波輻射器，利用縱向振動和徑向振動模式的合理轉換，使換能器的一維縱向超聲輻射轉換為金屬管的三維全方位超聲輻射，有效地增大了輻射器的超聲輻射面積，提高了系統的電聲轉換效率。
4.根據權利要求1所述的一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，所述金屬管的兩端都與啞鈴棒形變幅杆連接。
5.根據權利要求4所述的一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，所述金屬管側壁在近兩端處分別設有入液口、出液口。
6.根據權利要求4所述的一種大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，所述金屬管側壁未設置入液口和出液口。
7.根據權利要求1飛任一項所述的大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，金屬管是等截面形狀結構或中間大兩端小的變截面形狀結構。
8.根據權利要求1飛任一項所述的大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，啞鈴棒形變幅杆和金屬管為螺紋連接或為一體結構。
9.根據權利要求1飛任一項所述的大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，其特徵在於，換能器與啞鈴棒形變幅杆通過雙頭螺杆連接。
10.根據權利要求廣6任一項所述的大功率 鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器， 其特徵在於，啞鈴棒形變幅杆的長度等於換能器工作頻率對應的一個等效波長。
全文摘要
本發明涉及一種大功率啞鈴棒管式縱徑複合振動超聲波輻射器，包括金屬管、啞鈴棒形變幅杆、換能器及密封防水套體；變幅杆及換能器為縱向振動；金屬管管端與啞鈴棒形變幅杆密閉連接；變幅杆依結構順序由第一圓柱體、第二變截面體、第三細圓柱體、第四變截面體和第五圓柱體組成，第一圓柱體連接換能器，第五圓柱體連接金屬管；變幅杆的縱振位移振幅節面處設有法蘭盤，法蘭盤連接密封防水套體，密封防水套體將換能器容納在內；金屬管的徑向共振頻率等於換能器和啞鈴棒形變幅杆的縱向共振頻率。本發明金屬管向管內或向管外形成全方位超聲波輻射；金屬管的徑向尺寸不受換能器徑向尺寸的限制；同樣的縱向激發頻率和縱向激發位移振幅下，徑向振動更強烈。
文檔編號B06B1/10GK102527628SQ201210012240
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者許龍 申請人:中國計量學院