[发明专利]一种爪式超声换能器

说明书

本发明公开了一种爪式超声换能器，包括夹心式压电超声换能器、变幅杆和爪式全向辐射器，变幅杆的一端与夹心式压电超声换能器固定连接，变幅杆的另一端与爪式全向辐射器固定连接，夹心式压电超声换能器包括后盖板、压电陶瓷晶堆和前盖板，后盖板、压电陶瓷晶堆和前盖板通过应力螺栓固定在一起，爪式全向辐射器包括爪底和爪指，爪底的一端与变幅杆固定连接，爪指固定连接在爪底的另一端，爪底为开口式结构，爪指设置有多根，爪指沿爪底的周向均匀分布；在实现高频高功率的同时，通过高阶的弯曲振动模式实现360°全向声辐射，即可提高声辐射效率和声场作用范围，又可提高辐射声场的均匀性。

技术领域

本发明属于超声换能器技术领域，具体涉及一种爪式超声换能器。

背景技术

超声换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。在高效节能、环保等大功率超声应用技术领域，例如，超声清洗、超声药物萃取、超声生物燃油设备、原油稠油降粘、超声污水处理以及声化学反应等，超声辐射声场的均匀性一直为业界所重视。特别是对于液体介质超声波处理换能器，除了要有大的声功率外，还需要有极可能大的体积形变以提高超声能量辐射效率和尽可能均匀的辐射声场以提高超声处理效果。实现大功率、高效率和均匀辐射声场分布一直是业内追求的目标。

传统复频驱动的纵弯复合模式超声换能器主要存在以下问题：1.多种振动模式共频率下的机电参数不同导致电源匹配困难；2.多种振动模式下的应力及振速分布不同，位移节点位置不同，机械固定困难；3.多种振动模式之间存在相互耦合。现有的棒形、管型液体处理超声换能器是通过纵向振动或纵向-径向振动之间的模式转换，均能实现较强辐射声功率得到了广泛应用，但是此类棒形和管型换能器工作原理是对棒或管进行纵向激励产生径向声辐射，由于棒或管中的纵波波速较大，因而其纵波波长较长，其辐射声场沿棒或管长方向有较大的不均匀性，存在较大的驻波特性。

申请号为CN200520075667.4名称为“大功率超声换能器”的专利中公开了一种能在周向方向上产生径向振动的大功率换能器，其辐射范围较全面，但组装式结构刚度远不如一体式结构，意味着该种换能器的功率将受到限制，并且同样存在辐射声场均匀性不高的问题；申请号为CN201711137711.3名为“声场可控的大功率超声换能器”的专利，公开了一种通过信号延迟系统、多通道功率放大来实现可控聚焦声场的换能器系统，其原理是通过改变激励信号的相位差而实现管型换能器的声场的动态调控，需要信号延迟系统、多通道功率放大器和线阵列复合驱动系统等，因此电源一体化难度较大；申请号为CN201610777589.5名称为“一种在水中产生多维度超声波的棒式换能器”，公开了一种纵向-径向振动模式转换的管棒组合式超声换能器，这类换能器可以实现一定程度的高功率声振幅，但因其声辐射方向单一、声场均匀性有待进一步提高，无法满足高效率应用需求。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供一种爪式超声换能器的技术方案，在实现高频高功率的同时，通过高阶的弯曲振动模式实现360°全向声辐射，即可提高声辐射效率和声场作用范围，又可提高辐射声场的均匀性，从而能够大幅提高超声污水处理、超声药物萃取、超声生物燃油制备、超声清洗等超声液体领域的处理效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：