一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，包括金属管、哑铃棒形变幅杆、换能器及密封防水套体；变幅杆及换能器为纵向振动；金属管管端与哑铃棒形变幅杆密闭连接；变幅杆依结构顺序由第一圆柱体、第二变截面体、第三细圆柱体、第四变截面体和第五圆柱体组成，第一圆柱体连接换能器，第五圆柱体连接金属管；变幅杆的纵振位移振幅节面处设有法兰盘，法兰盘连接密封防水套体，密封防水套体将换能器容纳在内；金属管的径向共振频率等于换能器和哑铃棒形变幅杆的纵向共振频率。本实用新型专利技术金属管向管内或向管外形成全方位超声波辐射；金属管的径向尺寸不受换能器径向尺寸的限制；同样的纵向激发频率和纵向激发位移振幅下，径向振动更强烈。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种超声波辐射器，特别是涉及一种液体处理的聚焦式或全方位超声辐射的大功率纵径复合振动超声波辐射器。
技术介绍
随着超声技术在工业、化工、环 保、制药、油气田开发等领域的广泛应用，对功率超声振动系统提出了更高的要求高效率、大功率和连续稳定工作。当前，在大功率超声应用领域，由于纵向振动夹心式压电换能器具有功率密度大、机电转换效率高以及性能稳定等优点，其应用最为广泛。但由于纵向振动夹心式压电换能器本身理论以及结构所限，存在以下不足之处纵向振动夹心式换能器只能实现超声能量的单一方向辐射，即换能器的辐射能力基本是沿着其纵轴方向，不能实现超声能量的360度空间全方位辐射。纵向振动夹心式换能器的设计理论要求换能器的横向尺寸不能超过换能器所辐射的声波波长的四分之一，因此纵向振动夹心式换能器的声辐射面积受到自身理论的限制，极大地限制了纵向振动夹心式换能器的声波辐射功率和电声转换效率。为了提高超声辐射功率，增大超声波作用的范围，传统的方法是采用布阵的方式，即把多个夹心式换能器粘在不锈钢板上，形成振板。当要求清洗或处理的量较大时，需要把振板增大，这时一个振板上需要粘几十甚至上百个换能器，有时甚至采用多个振板以满足大容积超声清洗和处理要求。对于这种方式，由于每个换能器的辐射面积小，导致效率不高，设备庞大，稳定性差，使用不便。因此振板形式的超声换能器装置很难满足工业规模的超声清洗和处理的要求。另外，为了提高传统的纵向超声振动系统的辐射功率及改善声波辐射方向，人们提出了圆管式超声辐射器。如专利号ZL 200510033810. 8，名称为“超声液体处理换能方法和装置”，通过在圆筒形液体容器的一端或两端设置换能器，使换能器的轴向振动转换成径向振动达到对圆筒内液体施加超声能量的目的。该超声辐射器通过换能器的纵向振动激发圆筒的高频纵向振动，利用泊松效应实现圆筒的径向超声辐射，从而改善了纵振动夹心式换能器的声波辐射方向和增大了超声作用面积，但还存在如下不足(I)从其几何尺寸和声波辐射特性来看，这类超声波辐射器的振动还是属于圆管的高阶纵向振动，在圆管的高阶纵向振动模式下利用泊松效应产生的径向振动位移相对于换能器的纵向振动位移也较小，因此系统的径向超声辐射强度相对较弱。(2)该超声辐射器的纵向驱动夹心式换能器与金属圆筒通过焊接等方式直接连接，换能器的径向尺寸限制了金属圆筒的直径很难做到较大，因此该辐射器的超声作用面积也受制于驱动换能器的径向尺寸，在筒内处理的液体也相对有限。此外，为了增大圆筒的超声辐射面积，可通过增加圆筒的长度的办法来实现，但是圆筒的长度越长，对于同样的激发频率下圆筒的纵向振动对应于更高阶的纵向高次谐频振动(频率一定时，圆筒的长度每增加一个半波长，振动阶次增加一阶)，在换能器的纵向激发频率和功率一定的条件下，圆筒的高阶纵向谐频相对于低价纵向谐频利用泊松效应产生的径向振动必然更弱，因此在圆筒的更高阶纵振模式下管内的径向辐射声波也较弱，这也限制了圆筒的纵向尺寸不能做的很大。现有技术中，为了获得较好的径向振动模式，通常采用压电陶瓷圆管与金属圆管通过热胀冷缩法嵌套在一起实现整体的径向模式振动。专利号为ZL 200520075667. 4，名称为“大功率超声换能器”的技术专利，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(I)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^3I较小，因而换能器的机电转换效率较低。(2)金属预应力外壳与内部的压电陶瓷管通过热胀冷缩法嵌套在一起对压电陶瓷圆管施加由外向内的单向径向预应力，此预应力施加的大小很难控制，预应力太小换能器的功率容量受到限制，功率密度较小，预应力过大会引起压电陶瓷管破碎。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。为了克服上述通过热胀冷缩嵌套工艺实现的径向复合换能器的预应力难以调节控制以及机电转换效率较低的不足，专利号为ZL 200910102269. X，名称为“一种大功率超声复合管”的技术专利，采用多片厚度极化的弧形压电陶瓷片沿圆周方向均匀排列成环形构成柱面压电陶瓷堆环组，在柱面压电陶瓷堆环组外部设有金属预应力外壳，内侧设有扩张式预应力机构，内部的扩张式预应力机构与外部的金属预应力外壳协同对柱面压电陶瓷堆环组施加可调节控制的合适的径向预压应力，从而有效提高柱面压电陶瓷堆环组的功率容量，并且该超声复合管的径向振动模式是由厚度极化的柱面压电陶瓷堆环组的厚度振动模式激发，其厚度机电耦合系数kt比压电陶瓷管的横向机电耦合系数k31高40%以上，显著提高了压电陶瓷的机电转换能力。虽然该大功率超声复合管在结构及性能上比以往的压电陶瓷圆管式复合换能器均有所提高，但也存在一些不足和需要改进完善之处(I)复合超声管的结构比较复杂，相对于传统的夹心式压电换能器其加工制作工艺较复杂。(2)构成复合管的组成部件较多，各组成部分的结构及尺寸参数均对复合管的性能构成影响，设计时需要考虑的因素及变量较多，同时其制作工艺也需要不断的改进及完善，比如预应力大小的控制、各组成部分所占的比例等等。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种大功率、高效率、振动能量强度大、能在径向360度方向福射超声波的全方位福射超声波福射器。为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，包括金属管、哑铃棒形变幅杆、换能器及密封防水套体；所述哑铃棒形变幅杆及换能器为纵向振动哑铃棒形变幅杆及换能器；金属管的一端或两端与哑铃棒形变幅杆密闭连接；所述哑铃棒形变幅杆由五部分构成，依结构顺序为第一圆柱体、第二变截面体、第三细圆柱体、第四变截面体和第五圆柱体，第五圆柱体的截面积大于第一圆柱体，第一圆柱体的截面大于第三细圆柱体，第一圆柱体连接换能器，第五圆柱体连接金属管；哑铃棒形变幅杆的纵振位移振幅节面处设有法兰盘，法兰盘连接密封防水套体，密封防水套体将换能器容纳在内；金属管的径向共振频率等于换能器和哑铃棒形变幅杆的纵向共振频率。优选地，所述金属管一端开口或用金属盖封闭，另一端固定安装哑铃棒形变幅杆。优选地，所述金属管两端都固定安装哑铃棒形变幅杆。实施本技术的有益效果在于(I)本技术一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器采用纵向振动换能器及哑铃棒形变幅杆推动金属管，利用振动模式的转换将换能器及变幅杆产生的纵向振动转换为金属管的径向振动，实现金属管向管内辐射超声波以汇聚超声能量形成聚焦式超声波福射器或向管外径向360度方向福射超声波形成全方位超声波福射器。(2)本技术在径向振动管和纵向激发换能器之间设置哑铃棒形变幅杆不仅起到放大换能器纵向激发位移振幅的作用，同时实现放大换能器输出端面积的功能，从而使得径向振动的金属管的径向尺寸不再受换能器径向尺寸的限制可以做得更大，有效提高了径向振动金属管的超声辐射强度，增大了金属管的超声波作用面积。(3)本技术所述的金属管的径向振动属于金属管的基频径向振动，并非是金属管在高阶纵向振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率哑铃棒管式纵径复合振动超声波辐射器，其特征在于，包括金属管、哑铃棒形变幅杆、换能器及密封防水套体；所述哑铃棒形变幅杆及换能器为纵向振动哑铃棒形变幅杆及换能器；金属管的一端或两端与哑铃棒形变幅杆密闭连接；所述哑铃棒形变幅杆由五部分构成，依结构顺序为第一圆柱体、第二变截面体、第三细圆柱体、第四变截面体和第五圆柱体，第五圆柱体的截面积大于第一圆柱体，第一圆柱体的截面大于第三细圆柱体，第一圆柱体连接换能器，第五圆柱体连接金属管；哑铃棒形变幅杆的纵振位移振幅节面处设有法兰盘，法兰盘连接密封防水套体，密封防水套体将换能器容纳在内；金属管的径向共振频率等于换能器和哑铃棒形变幅杆的纵向共振频率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许龙，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：实用新型
国别省市：