CN111744755A - 一种新型超声棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型超声棒，包括超声换能器，该超声棒还包括有：阶梯型变幅装置，以放大纵向振幅；开缝圆管，以产生管壁弯曲振动；所述阶梯型变幅装置和开缝圆管依次设置在超声换能器输出端。本发明在换能器基础上增加了阶梯型变幅装置和开缝圆管。依据振动理论，与纵向振动相比，在相同的共振频率下，对于纵横比较大的振子，其弯曲振动通常工作于更高阶振动模式，单位长度内的波峰数量更多，振幅也较大，因而辐射器体积形变更大，声辐射效率更高，辐射声场更均匀。在水体处理、药物萃取以及声化学反应等液体介质处理领域，产品实用性强于现有的柱形超声换能器，且结构简单，制造工艺难度较低。

Description

一种新型超声棒

技术领域

本发明涉及超声换能器应用技术领域，具体为一种纵弯振动模式转换超声棒。

背景技术

大功率超声换能器在超声清洗、有机废水降解以及药物萃取等领域具有广泛应用前景。作为液体超声处理换能器，一方面要求有大的功率容量；另一方面要求有尽可能大的体积形变，以提高声辐射效率；此外，还要有尽可能均匀的辐射声场，以提高超声作用效果。

已有技术中，专利号为ZL 200520075667.4,名称为“ 大功率超声换能器”的实用新型专利，通过在一根较长的金属圆管内套接多级径向极化压电陶瓷圆管而成，该换能器在圆管半径方向能获得较均匀的辐射声场。不足之处在于换能器内部的压电陶瓷圆管为径向极化，其横向机电耦合系数k31较小，换能器机电转换效率较低；此外，换能器金属圆管外壳为双层结构，中间充油。由于油和金属声阻抗率差异较大，换能器内部存在较大的声透射衰减，导致换能器辐射效率降低。

专利号为ZL 200520057492.4,名称为“洗罐用的超声棒”的实用新型专利，通过在圆管或多边形截面管内壁粘结一系列纵向振动换能器来实现径向振动和辐射。该超声棒内部采用一组纵向复合换能器驱动，功率容量可以较大。但对于低频超声棒，其直径将比较大，设备较笨重；此外，换能器要求具有较高的水密性。

专利号为ZL 200910102269.X,名称为“一种大功率超声复合管”的发明专利，采用一组短复合管压电换能器轴向串接而成。换能器内部采用柱面压电陶瓷晶堆环组，并通过内部的金属弹性账套协同外部金属圆管对中间的柱面压电陶瓷晶堆环组施加足够大径向预应力，以提高换能器的功率容量。该复合管换能器功率密度大，机电转换效率较高，其径向辐射声场分布均匀性较好。但换能器结构比较复杂，工艺要求较高，特别是其内部各弹性账套产生的预应力大小难以控制，将使得内部各换能器单元谐振频率的一致性很难控制；此外，换能器同样对水密性要求较高。

此外，目前应用较多的一类圆柱超声换能器产品，主要采用夹心式换能器激励一根带有阶梯盘的金属长棒，通过泊松效应将换能器的纵向振动转换金属长棒的径向振动。这类圆柱换能器由于采用夹心式纵向压电换能器驱动，功率容量较大，但由于纵波波速较大，振动沿棒长度方向存在明显的驻波特性，导致辐射声场不均匀性较大。

发明内容

基于此，为了解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种新型超声棒，该超声棒能产生弯曲振动，与常用的纵向振动相比，在相同的共振频率下，该超声棒单位长度内的波峰数量更多，振幅也较大，声辐射效率更高。

本发明的另一个目的在于提供一种新型超声棒，该超声棒在超声换能器之外独立设置开缝圆管和变幅装置，通过振动模式转换，将超声换能器和变幅装置的纵向振动转化为与之相连的开缝圆管端盖的平面弯曲振动，并使开缝圆管管壁产生横向弯曲振动实现更加均匀的声辐射，同时开缝圆管内部还可形成高强度线聚焦声场。

本发明的又一个目的在于提供一种新型超声棒，该超声棒能够具有更大的位移振幅和体积形变，大大提高了声辐射效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种新型超声棒，包括超声换能器，其特征在于该超声棒还包括有：

阶梯型变幅装置，以放大纵向振幅；

开缝圆管，可产生管壁弯曲振动；

所述阶梯型变幅装置和开缝圆管依次设置在超声换能器的输出端。

本发明在换能器基础上增加了阶梯型变幅装置和开缝圆管，阶梯型变幅装置作为上述换能器的阻抗匹配器可放大换能器前盖板的输出振幅，开缝圆管产生管壁弯曲振动，通过阶梯型过渡段传递给开缝圆管后盖板实现纵向—弯曲振动模式转换。相比于单一纵向振动模式的换能器，在相同的共振频率下，相同尺寸的弯曲振动辐射器通常工作于高阶振动模式，单位长度内的波峰数量更多，振幅也较大，因而辐射器体积形变更大，辐射效率更高，辐射声场更均匀。

进一步，所述超声换能器的总长为半波长，所述阶梯型变幅装置长度为半波长。

更进一步，所述开缝圆管的长度为管壁弯曲振动波长的二分之一或二分之一的整数倍，可作为阻抗匹配组合提高换能器的辐射效率。

进一步，所述阶梯型变幅装置包括有弧形过渡段、阶梯型变幅杆；所述阶梯型变幅杆设置于超声换能器的输出端，所述弧形过渡段连接在阶梯型变幅杆与开缝圆管之间。

更进一步，所述阶梯型变幅杆的下部为缩径的杆状结构，同时所述弧形过渡段与所述的缩径的杆状结构紧密衔接，所述过渡弧起降低应力集中作用。

更进一步地，所述弧形过渡段和阶梯型变幅杆为一体制造成型，阶梯型变幅杆可以为圆锥变幅杆、指数型变幅杆或聚能形变幅杆中的任意一种。

所述超声换能器包括纵向驱动的压电陶瓷振子组件、负电极引线、正电极引线以及分别设置于超声换能器两端的换能器前盖板和换能器后盖板；所述换能器前盖板和换能器后盖板及超声换能器上均开设有轴向同心孔，并通过在轴向同心孔内旋入预应力螺栓紧密连接；所述开缝圆管的两端设有开缝圆管后端盖和开缝圆管前端盖，所述开缝圆管后端盖与阶梯型变幅杆之间设有弧形过渡段，开缝圆管的管壁存在沿壁周均匀分布的同尺寸直缝；所述换能器前盖板与阶梯型变幅杆，弧形过渡段与开缝圆管后端盖均通过连接螺栓实现各组件的紧密配合。

更进一步地，所述超声换能器中的驱动振子不局限于压电陶瓷振子组件，还可以是磁致伸缩换能器。

更进一步地，所述换能器前盖板材料为铝或钛合金，换能器后盖板材料为号钢、铝或钛合金，压电陶瓷振子组件的材料为PZT系列材料。

更进一步地，所述压电陶瓷振子组件的数量为偶数片。

更进一步地，所述压电陶瓷振子组件包括一个正电极引线和两个负电极引线，正电极引线和负电极引线的材料皆为薄铜片或镀银金属片。

所述开缝管圆管可产生管内、管外声辐射；所述开缝圆管内部可形成高强度线聚焦声场，开缝圆管的管壁上对称开设有至少二条等长平行设置的直缝，所述直缝沿着开缝圆管的纵向分布，且所述相邻两直缝之间弧面直条长度满足高阶弯曲振动的半波长整数倍。

进一步，开缝圆管侧壁沿轴均匀分布有若干条尺寸相同的直缝，所述直缝长度不超过圆管长度。所述开缝圆管可通过调节直缝的宽度、数量来改变辐射头的共振频率，实现与超声换能器的同频谐振。

更进一步，开缝圆管的直缝的缝端与开缝圆管端部具有一定的间距。

进一步，所述开缝圆管至少具有一个端盖，所述端盖固定于开缝圆管，或与开缝圆管一体成型。

更进一步，所述开缝圆管的端盖的端面半径不小于与其连接的弧形过渡段前端辐射面半径，以使端盖产生平面弯曲振动，并转化为开缝圆管管壁的横向弯曲振动。与变幅杆连接的开缝管端的端盖与开缝圆管可以是分开设置的，也可以是一体化的，开缝圆管的另一端可以设置端盖，也可以不设置端盖。

更进一步，所述端盖端口形状多样化，包括但不限于圆柱形、半球型、圆锥型、杯型。

更进一步地，所述开缝圆管的材料为铝合金、钛合金或不锈钢中的一种。

更进一步地，所述开缝圆管通过连接螺栓与阶梯型变幅杆紧密连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所实现的超声棒，阶梯型变幅杆作为上述换能器的阻抗匹配器可放大换能器前盖板的输出振幅，开缝圆管在阶梯型变幅杆过渡下实现与振子前盖板的耦合，将换能器的纵向振动转换成开缝圆管管壁的弯曲振动。特别是对于圆管开缝，其优点在于：（1）实现管壁弯曲振动，体积形变更大，辐射效率更高，辐射声场更均匀；（2）在管内形成高强度聚焦声场，以增强超声处理效果。

基于此，由于弯曲振动波的波速有频散特性，通过设计可使其弯曲振动波速远小于纵波波速。因此，在同频情况下，弯曲波的波长更短，同尺寸出现的波峰越密，则同一根杆的弯曲振动阶数将高于其纵向振动阶数，相应的，沿棒长方向的辐射声场更加均匀。

在正常工作时能更加有效的改善声场均匀性和工作稳定性，特别是在水体处理、药物成分萃取以及声化学反应等液体介质处理领域，产品实用性强于现有的柱形超声换能器，且结构简单，制造工艺难度较低，具有很好的应用前景。

此外，由于开缝圆管管壁弯曲波峰数量较多，且具有更大的位移振幅和体积形变，可大幅提高换能器的声辐射效率。

附图说明

图1为本发明的新型超声棒的立体结构示意图。

图2为本发明的新型超声棒开缝圆管的轴向截面剖视图。

图3为本发明的复合压电换能器驱动下未开缝圆管的振动模态示意图。

图4为本发明的复合压电换能器驱动下开缝圆管的振动模态示意图。

图中：1、预应力螺栓；2、换能器后盖板；3、负电极引线；4、压电陶瓷振子组件；5、正电极引线；6、换能器前盖板；7、超声换能器；8、阶梯型变幅杆；9、弧形过渡段；10、开缝圆管后端盖；11、直缝；12、开缝圆管；13、开缝圆管前端盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2为本发明所实现的新型超声棒，图中所示，该新型超声棒包括有开缝圆管12、弧形过渡段9、阶梯型变幅杆8以及设置于阶梯型变幅杆8前端的超声换能器7。其中，超声换能器7包括纵向驱动的压电陶瓷振子组件4、负电极引线3、正电极引线5以及分别设置于超声换能器7两端的换能器前盖板6和换能器后盖板2；换能器前盖板6和换能器后盖板2及超声换能器7上均开设有轴向同心孔，并通过在轴向同心孔内旋入预应力螺栓1紧密连接。

换能器前盖板6与阶梯型变幅杆8，弧形过渡段9与开缝圆管后端盖10均通过连接螺栓实现各组件的紧密配合。

阶梯型变幅杆8的上部与换能器前盖板6具有相同的直径，并紧密连接在一起，阶梯型变幅杆8的下部收缩成缩径的杆状结构，弧形过渡段9与上述缩径的杆状结构紧密连接，具有降低应力集中作用。

需要注意的是：弧形过渡段9和阶梯型变幅杆8为一体制造成型，不可进行分段安装。在其它的实现方式中，阶梯型变幅杆8还可以为圆锥变幅杆、指数型变幅杆或聚能形变幅杆中的一种。

阶梯型变幅杆8作为超声换能器7的阻抗匹配器可放大换能器前盖板6的输出振幅，通过弧形过渡段9传递给开缝圆管后端盖10实现纵向弯曲振动模式转换。

弧形过渡段9的下部与开缝圆管后端盖10固定在一起。

开缝圆管12的两端设有开缝圆管后端盖10和开缝圆管前端盖13，开缝圆管后端盖10与阶梯型变幅杆8之间设有弧形过渡段9，需要注意的是，与变幅杆连接的开缝圆管后端盖10和开缝圆管12可以是一体化的，也可以是分开设置的；在其它的实现方式中，开缝圆管前端盖13可以不设置，并不影响开缝圆管12的正常工作。设置开缝圆管前端盖13时，开缝圆管前端盖13通过侧向应力螺栓固定在开缝圆管12的末端，或通过金属焊接的方法直接将两者进行固定。

对于开缝圆管12来说，管长应满足管壁弯曲波长的二分之一或二分之一整数倍。

开缝圆管可产生管内、管外声辐射；所述开缝圆管内部可形成高强度线聚焦声场。开缝圆管侧壁沿轴向均匀分布有若干条尺寸相同的平行设置的直缝11，所述直缝长度不超过圆管长度。开缝圆管的直缝的缝端与开缝圆管端部具有一定的间距。可以通过调节直缝11的宽度、数量来改变辐射头的共振频率，实现与超声换能器的同频谐振。在工作状态下，任意两条直缝11间可看成做纯弯曲运动的杆，并可实现管外和管内双向声辐射，提高了能量辐射效率。

直缝11沿开缝圆管12的轴向中心面呈镜像对称。且所述相邻两直缝之间弧面直条长度满足高阶弯曲振动的半波长整数倍。

对于超声换能器7，压电陶瓷振子组件4中相邻两块元件同极相对，且中间夹有薄铜片作为超声换能器7的电极引线端；压电陶瓷振子组件4与换能器后盖板2的下端接触面为负极且其中夹有薄铜片，作为超声换能器7的第一负极引线端；压电陶瓷振子组件4中另一个的负极面为压电陶瓷振子组件4数量等分面，且中间也夹有薄铜片作为超声换能器7的第二负极引线端；压电陶瓷振子组件4中元件两处正极相对处同样夹有薄铜片分别作为超声换能器7的第一正极引线端和第二正极引线端；正电极引线5与超声换能器7的第一正极引线端和第二正极引线端相连相连；负电极引线3同时与超声换能器7的第一负极引线端和第二负极引线端相连。压电陶瓷振子组件4的数量为偶数片。压电陶瓷振子组件4包括一个正电极引线5和两个负电极引线3，正电极引线5和负电极引线3的材料皆为薄铜片或镀银金属片。

换能器前盖板6、换能器后盖板2、压电陶瓷振子组件4、开缝圆管12前端的轴向同心孔直径一致。换能器前盖板6材料为铝，换能器后盖板2材料为45号钢，压电陶瓷振子组件4的材料为PZT系列材料。

在其它的实现方式中，超声换能器7中的驱动振子不局限于压电陶瓷振子组件4，也可以是磁致伸缩换能器。

为了更好地实现纵向—弯曲振动模式转换，超声换能器7的总长为半波长，阶梯型变幅杆8长度为半波长，所述开缝圆管12的长度为管壁弯曲振动波长的二分之一或二分之一的整数倍。

开缝圆管12内可形成高强度线聚焦声场，开缝圆管12的管壁上开设的直缝11满足高阶弯曲振动的半波长整数倍，在弧形过渡段9和开缝圆管后端盖10的配合下，可实现换能器纵向弯曲振动模式的转换，增加声场均匀性同时提高声辐射效率。

开缝圆管12与开缝圆管后端盖10之间采用分体或一体式连接，开缝圆管前端盖13选择性罩盖。开缝圆管在未安装端盖时，直缝的缝端与管口具有一定的距离。

开缝圆管后端盖10的端面半径不小于弧形过渡段9前端辐射面半径。以使端盖产生平面弯曲振动，并转化为开缝圆管管壁的横向弯曲振动。

开缝圆管12管体的材料为铝合金、钛合金或不锈钢中的一种。开缝圆管通过连接螺栓实现与阶梯型变幅杆的紧密固定连接。需要注意的是，开缝圆管不依靠内螺纹与换能器前盖板进行连接，避免“脱结”现象。

开缝圆管后端盖10端口的形状可以是多样化的，包括但不限于圆柱形、半球型、圆锥型或杯型。

请参阅图3-4，通过控制是否开槽这一变量，两相同尺寸的无缝圆管和开缝圆管12在同一驱动装置下的振动模态和振幅分布：

如图3是在图1所示超声换能器7驱动下与未开缝的圆管的振动模态示意图，由图3可知，在未开槽状态下，金属圆管的管体表现为纵径耦合振动模式，管体上波峰数量较少，且波峰与波谷相对幅值较小（最大为3.21×10-9m，最小为2.17×10-9 m），说明该金属圆管的辐射声场的不均匀度较高。

如图4是在图1所示超声换能器7驱动下图3同尺寸的开缝圆管12的振动模态示意图，由图4可知在开槽状态下，金属圆管的管体表现为弯曲振动模式，与纵向振动相比，弯曲振动的波长更短，当管体参数一致时，弯曲振动在管体上出现的波峰数量更多、更密，波峰与波谷的相对幅值更大，（开槽时最大振动幅值为5.36×10-9 m）。

总之，本发明所实现的新型超声棒，其制作工艺简单，可实现360°全向超声辐射，大幅提高了声辐射效率和声场分布的均匀性，适用于高效率水等液体介质处理领域，满足工业企业对超声换能器应用需求。

水体处理常因为大体量消耗化学处理试剂，不仅容易对环境造成二次污染，也不利于响应中央对绿色创新发展的号召。本发明提出的新型超声棒，开缝圆管在阶梯型变幅杆过渡下实现与振子前盖板的耦合，将换能器的纵向振动转换成开缝圆管的弯曲振动。相比于纵向振动，弯曲振动产生的波长更短，金属管体将出现更多振动波峰，更佳的声场均匀性在正常工作时能有效改善辐射声场范围和大功率的工作稳定性。在水体处理领域，产品实用性强于普通柱形变幅杆，且结构简单，制造工艺难度较低，因此应用前景将十分广阔，可为水体处理问题提供了一种新的解决方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种新型超声棒，包括超声换能器，其特征在于该超声棒还包括有：

阶梯型变幅装置，以放大纵向振幅；

开缝圆管，以产生管壁弯曲振动；

所述阶梯型变幅装置和开缝圆管依次设置在超声换能器的输出端。

2.如权利要求1所述的新型超声棒，其特征在于所述超声换能器的总长为半波长，所述阶梯型变幅装置长度为半波长。

3.如权利要求2所述的新型超声棒，其特征在于所述开缝圆管的长度为管壁弯曲振动波长的二分之一或二分之一的整数倍，可作为阻抗匹配组合提高换能器的辐射效率。

4.如权利要求1所述的新型超声棒，其特征在于所述阶梯型变幅装置包括有弧形过渡段、阶梯型变幅杆；所述阶梯型变幅杆设置于超声换能器的输出端，所述弧形过渡段连接在阶梯型变幅杆与开缝圆管之间。

5.如权利要求4所述的新型超声棒，其特征在于所述阶梯型变幅杆的下部为缩径的杆状结构，同时所述弧形过渡段与所述的缩径的杆状结构紧密衔接，所述过渡弧起降低应力集中作用。

6.如权利要求5所述的新型超声棒，其特征在于所述弧形过渡段和阶梯型变幅杆为一体制造成型，所述阶梯型变幅杆为圆锥变幅杆、指数型变幅杆或聚能形变幅杆中的任意一种。

7.如权利要求1所述的新型超声棒，其特征在于所述超声换能器包括纵向驱动的压电陶瓷振子组件、负电极引线、正电极引线以及分别设置于超声换能器两端的换能器前盖板和换能器后盖板；所述换能器前盖板和换能器后盖板及超声换能器上均开设有轴向同心孔，并通过在轴向同心孔内旋入预应力螺栓紧密连接；所述开缝圆管的两端设有开缝圆管后端盖和开缝圆管前端盖，所述开缝圆管后端盖与阶梯型变幅杆之间设有弧形过渡段，开缝圆管的管壁存在沿壁周均匀分布的同尺寸直缝；所述换能器前盖板与阶梯型变幅杆，弧形过渡段与开缝圆管后端盖均通过连接螺栓实现各组件的紧密配合。

8.如权利要求7所述的新型超声棒，其特征在于所述压电陶瓷振子组件的数量为偶数片；所述压电陶瓷振子组件包括一个正电极引线和两个负电极引线，正电极引线和负电极引线的材料皆为薄铜片或镀银金属片。

9.如权利要求1所述的新型超声棒，其特征在于所述开缝管圆管可向管内及管外辐射声波，且圆管内部可形成高强度线聚焦声场，开缝圆管的管壁上对称开设有至少二条等长平行设置的直缝，所述直缝沿着开缝圆管的纵向分布，且相邻两直缝之间的弧面直条长度满足高阶弯曲振动半波长整数倍。

10.如权利要求9所述的新型超声棒，其特征在于开缝圆管侧壁沿轴向均匀分布有若干条尺寸相同的直缝，所述直缝长度不超过圆管长度；开缝圆管直缝的缝端与开缝圆管端部具有一定的间距。

11.如权利要求10所述的新型超声棒，其特征在于所述开缝圆管至少具有一个端盖，所述端盖固定于开缝圆管，或与开缝圆管一体成型。

12.如权利要求11所述的新型超声棒，其特征在于所述开缝圆管的端盖的端面半径不小于与其连接的弧形过渡段前端辐射面半径，以使端盖产生平面弯曲振动，并转化为开缝圆管管壁的横向弯曲振动。

13.如权利要求12所述的新型超声棒，其特征在于所述端盖端口形状包括但不限于圆柱形、半球型、圆锥型、杯型。

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