[发明专利]一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法

说明书

一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，属于超声换能器设计领域。本发明技术要点：一、计算压电陶瓷片的端面面积、前后盖板的端面面积；二、计算压电陶瓷片的阻抗、前后盖板的阻抗；三、计算电陶瓷片、前后盖板的波数；四、计算前后盖板的长度；五、计算拉应力，剪应力，压应力；六、计算预应力螺栓通孔的直径的取值范围，确定直径的值；七、计算螺栓头高度的取值范围，确定高度值；八、计算螺栓头的边长的取值范围，确定边长值；九、确定绝缘套管的内、外直径及长度，电极片的数量、内、外直径及厚度，选择绝缘套管及电极片的材料；十、对所设计的换能器进行数值模拟，并进行优化。本发明适用于空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计。

技术领域

本发明涉及一种压电陶瓷超声换能器的设计方法，具体涉及一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，属于超声换能器设计领域。

背景技术

超声换能器是工作在超声频域中将电能转化为超声波或者将外界超声波转化为电能的能量转换装置。超声换能器可分为压电超声换能器、磁致伸缩超声换能器、电动超声换能器、电磁超声换能器等。夹心式压电超声换能器是利用压电效应或逆压电效应从而实现电能与声能转换的器件，通常也被称作压电振子。它由压电陶瓷片、金属前后盖板、电极片、预应力螺栓和绝缘套管等组成。夹心式压电陶瓷超声换能器具有电声转换效率高、结构简单等优点，而且压电陶瓷材料来源广泛，所以夹心式压电陶瓷超声换能器在功率超声技术领域得到了广泛应用。

目前，夹心式压电陶瓷超声换能器多为实心结构，在一些特殊的应用场合往往要受其结构的限制，而空心超声换能器的应用会更加灵活，如在超声加工中领域，空心超声换能器更有利于对设备和工件进行冷却；在铝熔体处理领域，空心超声换能器更容易与其它装置复合应用。然而，空心超声换能器的设计缺少相关数学模型，而且没有完整的理论体系，为此，亟待提出了一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明的目的是空心超声换能器的设计缺少相关数学模型，而且没有完整的理论体系的问题，以及实心压电陶瓷超声换能器在一些特殊的应用场合往往要受其结构的限制的问题；进而提出了一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法。

本发明所采取的方案为：一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，空心夹心式压电陶瓷超声换能器包括预应力螺栓、后盖板、绝缘套管、电极片、压电陶瓷片、前盖板；

所述预应力螺栓带有圆柱形通孔，预应力螺栓带有正六边形螺栓头；所述后盖板的内、外直径与压电陶瓷片的内、外直径相等；所述绝缘套管的外直径与后盖板的内直径相等，内直径与预应力螺栓的大径相等，绝缘套管的长度根据整体设计而定；所述电极片的内、外直径与压电陶瓷片的内、外直径相等，厚度根据实际设计而定，电极片位于压电陶瓷片与压电陶瓷片之间以及压电陶瓷片与前后盖板之间；压电陶瓷片为偶数片，所有压电陶瓷片的尺寸相同，所述的前盖板的外直径与压电陶瓷片的外直径相等；预应力螺栓用于将后盖板、电极片、压电陶瓷片和前盖板连接在一起，绝缘套管套装在预应力螺栓上，位于后盖板、电极片及压电陶瓷片与预应力螺栓之间；

定义所述一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的预应力螺栓的大径d₄、预应力螺栓的小径d₅、预应力螺栓通孔的直径d₆、螺栓头的边长a、螺栓头的高度h、后盖板的内直径d₂、后盖板的外直径d₁、后盖板的长度l₄、压电陶瓷片的内直径d₂、压电陶瓷片的外直径d₁、压电陶瓷片的厚度l₁、前盖板的内直径d₃、前盖板的外直径d₁、前盖板的长度l₂；