一种空心超声换能器的频率优化方法技术

本发明专利技术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。

A Frequency Optimization Method for Hollow Ultrasound Transducer

【技术实现步骤摘要】
一种空心超声换能器的频率优化方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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：Zm2＝Rm2+iXm2其中，Z1p表示等效电路串联阻抗；ρ、cz、kz、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；Sz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；Z2p表示等效电路并联阻抗；Zm2表示换能器前盖板的输入阻抗；Rm2和Xm2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：Z1p+Z2p+iXm2＝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，Xm4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；步骤三、将前盖板和后盖板为等截面圆柱结构，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，此时，换能器中压电陶瓷的前、后端面的负载阻抗，也就是换能器前盖板和后盖板的输入阻抗可简化为下面的形式：Zm2＝iXm2＝iρ2c2S2tan(k2l2)Zm4＝iXm4＝iρ4c4S4tan(k4l4)其中，ρ2，c2，S2及ρ4，c4，S4分别是空心夹心式换能器中前盖板和后盖板密度、声速和截面积；k2，l2及k4，l4分别是前后盖板材料的波数和长度，k2＝2πf/c2，k4＝2πf/c4，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为：进一步地、利用预紧螺栓的参数修正频率方程中对应的参数进行前、后盖板长度修改正，具体过程包括：用预紧螺栓的参数修正频率方程中对应的参数，预紧螺栓的密度为ρl，声速为cl，横截面积为Sl，参数修正公式如下：预紧螺栓与前盖板的混合密度为：预紧螺栓与前盖板的混合声速为：预紧螺栓与前盖板的混合阻抗为：Z2l＝ρ2l.c2l.(S2+Sl)预紧螺栓与前盖板的混合波数为：预紧螺栓与压电陶瓷的混合密度为：预紧螺栓与压电陶瓷的混合声速为：预紧螺栓与压电陶瓷的混合阻抗为：Zzl＝ρzl.czl.(Sz+Sl)预紧螺栓与压电陶瓷的混合波数为：预紧螺栓与后盖板的混合密度为：预紧螺栓与后盖板的混合声速为：预紧螺栓与后盖板的混合阻抗为：Z4l＝ρ4l.c4l.(S4+Sl)预紧螺栓与后盖板的混合波数为：经过上述参数修正后的空心夹心式换能器的频率方程为将l1表示位移节面右边四分之一波长中压电陶瓷片长度l1，位移节面左边四分之一波长中压电陶瓷晶堆长度l3以及各部分材料参数代入上两式中即可得到换能器经过预紧螺栓参数修正后的前后盖板长度。进一步地，所述前盖板1与所述预紧螺栓5的螺纹端面间设有自锁垫圈；所述自锁垫圈包括两片单独的垫片组成，每片垫片的外侧有径向放射状凸纹并且内侧具有相互啮合的斜齿面。进一步地，所述空心换能器位移节面设置在压电陶瓷材料内部。进一步地，为了消除空气隙的存在并改善超声波在换能器内部的传输效果，所述压电陶瓷2、电极片3与前盖板1、后盖板4之间用环氧树脂粘合。进一步地，所述前盖板1采用7075铝合金制成；所述若干压电陶瓷2包括4片PZT-8型压电陶瓷；所述后盖板4采用45号钢制成；所述预紧螺栓5采用空心预紧螺栓结构，所述空心预紧螺栓结构采用钛合金的M27×2的六角头螺栓；所述电极片为5片表面镀银的铍青铜片；所述绝缘套6采用环氧树脂材料制成。进一步地，所述前盖板1的长度为37.66mm，外径60mm，内径27mm；所述压电陶瓷2的厚度为10mm，外径60mm，内径30mm；所述绝缘套6的长度为62.02mm，外径30mm，内径27mm；所述电极片3的厚度为0.2mm，外径60mm，内径30mm；所述后盖板4的长度为21.02mm，外径60mm，内径30mm；所述预紧螺栓5的公称长度为80.85mm，螺纹长度为24mm，头部高度为8mm，对角宽度为40mm，预紧螺栓中间通孔直径为20mm。本专利技术有益效果：本专利技术提出的一种空心超声换能器，解决了现有超声换能器孔径较小且预紧螺栓均为实心结构，缺少孔结构的问题。在铝合金熔体除气领域，空心超声换能器可以实现功率超声与旋转喷吹复合除气装置的要求，是除气效果更佳；又能在超声加工领域可实现从中间共冷却液，起到更好的冷却效果；同时本专利技术也给出了空心超声换能器的设计方法，可在一些领域中灵活地设计所需要的空心超声换能器，本专利技术不仅具有理论意义还具有实际意义。附图说明图1为本专利技术所述换能器剖面图；图2为本专利技术所述自锁垫圈的结构示意图；图3为本专利技术所述换能器的简化图；图4为本专利技术所述换能器位于位移节面右边的四分之一波长振子的机电等效电路图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术不受实施例的限制。实施例1：一种空心超声换能器的频率优化方法，如图1所示，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；在所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空心超声换能器的频率优化方法，其特征在于，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，并获取：

【技术特征摘要】
1.一种空心超声换能器的频率优化方法，其特征在于，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，并获取：Zm2＝Rm2+iXm2其中，Z1p表示等效电路串联阻抗；ρ、cz、kz、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；Sz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；Z2p表示等效电路并联阻抗；Zm2表示换能器前盖板的输入阻抗；Rm2和Xm2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：Z1p+Z2p+iXm2＝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，Xm4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；步骤三、将前盖板和后盖板为等截面圆柱结构，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，此时，换能器中压电陶瓷的前、后端面的负载阻抗，简化为下面的形式：Zm2＝iXm2＝iρ2c2S2tan(k2l2)Zm4＝iXm4＝iρ4c4S4tan(k4l4)其中，ρ2，c2，S2及ρ4，c4，S4分别是空心夹心式换能器中前盖板和后盖板密度、声速和截面积；k2，l2及k4，l4分别是前后盖板材料的波数和长度，k2＝2πf/c2，k4＝2πf/c4，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为：2.根据权利要求1所述空心超声换能器的频率优化方法，其特征在于，利用预紧螺栓的参数修正频率方程中对应的参数进行前、后盖板长度修改正，具体过程包括：用预紧螺栓的参...

【专利技术属性】
技术研发人员：高桂丽，王傲，闫智博，石德全，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23