[实用新型]一种柱形超声换能器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波设备，特别涉及一种能产生全向柱面辐射的柱形超声换能器。

背景技术

复合超声换能器以其功率密度大、机电转换效率高以及性能稳定等优点，在超声清洗、超声焊接、超声振动切削及加工等功率超声领域具有广泛应用，如目前超声工程领域应用很广的夹心式纵向复合超声换能器等。

大功率超声在液体超声处理技术领域具有广阔的应用前景。液体超声处理技术是利用超声振动能量在液体介质中产生空化、辐射压以及声流等物理效应对液体进行处理的一种节能环保的绿色超声应用技术。如在声化学反应领域，空化独特的物理化学环境开辟了新的化学反应途径，能骤增化学反应速度。在水处理领域，超声协同O₃对BOD、COD等有机物的降解率可达90％以上。通过持续超声辐射，可以将有害有机物降解为无机离子、水、二氧化碳或有机酸等无毒或低毒的物质，并可大大缩短处理时间。此外，超声还可以直接作为传统化学杀菌处理的辅助技术。在用传统化学方法进行大规模水处理时，增加超声辐射，可大幅度降低化学药剂的用量，因而能大大降低对环境造成的化学污染。超声波用于中药成份萃取，是中药制药彻底改变传统的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工艺。超声萃取具有加热温度低、萃取时间短、萃取效率高、能耗低以及萃取工艺成本低、综合经济效益高等显著特点。

传统的液体超声处理技术，如超声清洗、降解等是通过在容器底部或四周粘接一组阵列式纵向复合换能器来施加声场，由于纵向换能器振子辐射面是平面，其辐射声场指向性强，通常存在声场“盲区”，这是目前制约液体超声处理效能的“瓶颈”。目前，为改善液体中声场分布的均匀性，提高声能辐射效率，已发展起来几种能产生柱面或类柱面辐射的圆柱形超声换能器。如：专利号为ZL 200520057492.4，名称为“洗罐用的超声棒”的实用新型专利，通过在横截面为圆形或多边形的圆管或菱管内壁均匀间隔地粘接一定数量的纵向压电振子来产生径向振动。该超声棒换能器由于采用纵振换能器驱动，功率可以较大，存在的不足之处是：

(1)、纵振换能器是间隔地安装于薄壁管内壁上，因此管壁沿周向振动并非是一种均匀径向振动，而是弯曲振动，因而声能量辐射沿周向不均匀。特别对菱管形换能器，声能辐射主要集中在安装换能器的主表面方向，在近场还会出现声能辐射“盲区”；

(2)、对于频率较低的超声棒换能器，其横向尺寸(直径)将比较大，使其应用范围受到限制。

现有技术中，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，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)、换能器内部采用径向极化的压电陶瓷管，在高频电场激励下，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k₃₁较小。对常用的PZT压电陶瓷圆环或短圆管，k₃₁的值约为0.33，因而换能器的机电转换效率较低。

(2)、金属预应力外壳对内部的压电陶瓷管只施加了由外向内的单向径向预应力，此预应力不能施加的太大，否则压电陶瓷管会破碎。由于不能对压电圆管施加足够大的结构预应力，该换能器的功率容量受到限制，功率密度较小。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，强烈的振动容易引起高压打火及电极脱落。

(3)、换能器的金属外壳为双层结构，层中间充油。依据声波的界面反射及透射理论，声波在通过金属和油这两种声学特性阻抗差异很大的夹层时会引起较大的声能透射损失，从而使换能器的声辐射效率降低。此外，该超声换能器的金属预应力外壳与其内部的压电陶瓷管通常是通过热胀冷缩法嵌套在一起的，两者之间的公差配合精度要求很高，因而对压电陶瓷管的圆度及表面平行度以及预应力外壳内径加工精度要求很高，制作工艺成本高。

目前市场上也有名称为推拉式柱形换能器的产品，其结构是在一根金属圆管两端分别耦合两个纵向复合压电换能器，通过圆管将其两端换能器的纵向振动转换为圆管的径向振动。这种柱形换能器是利用纵向换能器激励，输入功率较大。不足之处是：

(1)、该柱形换能器的径向振动是通过纵向和径向振动模式的耦合获得的。与单一振动模式相比，存在一个能量转换效率的问题。通常模式转换的振动能量转换效率比单一振动模式的换能器低。