[发明专利]一种空心超声换能器的频率优化方法

说明书

本发明提出了一种空心超声换能器的频率优化方法，属于换能器设计技术领域。所述方法包括步骤一、建立位于位移界面右侧四分之一波长振子的机电等效电路；步骤二、将四分之一波长振子等效电路的左边视为开路获得所述位移节面右边四分之一波长振子的频率方程和所述位移节面左边四分之一波长振子的频率方程；步骤三、将前盖板和后盖板制成等截面圆柱结构，并且不考虑换能器前盖板和后盖板的负载阻抗以及压电换能器各部分材料损耗；步骤四、根据步骤三获得的压电陶瓷的前、后端面的负载阻抗获得等截面圆柱结构的前、后盖板的空心夹心式压电换能器的频率方程。

技术领域

本发明涉及一种空心超声换能器的频率优化方法，属于换能器设计技术领域。

背景技术

超声换能器是一种能量转换器件，将一种形式能量转化为另一种形式能量的装置。换能器主要有两种类型：发射型和接收型。其中用来发射超声波的换能器叫做发射器，当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能；用来接收声波的换能器叫做接收器，当换能器处于接收状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。超声换能器工作时，主要利用了压电效应理论。其中包括正压电效应和逆压电效应理论。材料加工及净化领域主要是使用功率超声即逆压电效应理论，即将电能转化成声能，在高频交流电作用下产生高频的纵向振动，进而产生超声波为铝熔体除气。在铝合金熔体除气领域，功率超声与旋转喷吹复合除气已被证明是很有效的，复合除气设备的旋转喷头导杆需要沿轴向穿过换能器，而现有换能器口径较小且预紧螺栓均为实心，故需要将预紧螺栓做成空心，设计一种空心超声换能器。

发明内容

本发明为了解决现有换能器口径较小且预紧螺栓均为实心，缺少空心结构的技术问题，提出了一种空心超声换能器，所采取的技术方案如下：

一种空心超声换能器的频率优化方法，所述空心超声换能器包括前盖板1、若干压电陶瓷2、电极片3、后盖板4、预紧螺栓5和绝缘套6；所述前盖板1固定安装在所述预紧螺栓5的螺纹端；所述压电陶瓷2套装在所述预紧螺栓5的栓体上，并且所述压电陶瓷2的一侧与紧压在所述前盖板1上；所述后盖板4固定安装在所述预紧螺栓5的栓体上，并且，所述盖板4的一侧紧压在压电陶瓷2的另一侧，所述盖板4的另一侧紧压在所述预紧螺栓5的螺母内侧；在所述预紧螺栓5安装压电陶瓷2和后盖板4的栓体表面上套有绝缘套6；在前盖板1于压电陶瓷2之间、相邻两片压电陶瓷2之间以及压电陶瓷2与后盖板4之间均设有电极片3。所述空心超声换能器的频率优化过程包括：

步骤一、建立位于位移界面右侧四分之一波长振子的机电等效电路，并获取：

Z_m2＝R_m2+iX_m2

其中，Z_1p表示等效电路串联阻抗；ρ、c_z、k_z、分别表示表示压电陶瓷密度、压电陶瓷晶堆纵向振动等效声速、波数；S_z表示压电陶瓷片的截面积；l₁表示位移节面右边四分之一波长中压电陶瓷片长度；Z_2p表示等效电路并联阻抗；Z_m2表示换能器前盖板的输入阻抗；R_m2和X_m2分别表示换能器前盖板的等效电阻和等效容抗；

步骤二、将四分之一波长振子等效电路的左边视为开路，根据回路中总阻抗为零的条件：Z_1p+Z_2p+iX_m2＝0，获得所述位移节面右边四分之一波长振子的频率方程和所述位移节面左边四分之一波长振子的频率方程分别为：

其中，X_m4和l₃分别表示为换能器后盖板的等效容抗和移节面左边四分之一波长中压电陶瓷片长度；