一种大功率复合超声管制造技术

一种大功率复合超声管，由若干个短复合管压电换能器单元沿轴向用空心螺纹管连接成长复合超声管，该长复合超声管两端设有盖子，每个短复合管压电换能器单元包括至少一个柱面压电陶瓷堆环组，柱面压电陶瓷堆环组外部设有金属预应力外壳，柱面压电陶瓷堆环组外壁与金属预应力外壳内壁紧密复合在一起，柱面压电陶瓷堆环组内部设有扩张式预应力机构，相邻两个扩张式预应力机构之间电连接，相邻两个短复合管压电换能器单元的金属预应力外壳之间电连接，每个柱面压电陶瓷堆环组内的柱面压电陶瓷堆单元电连接，相邻两个柱面压电陶瓷堆环组之间电连接。这种大功率超声管能在径向全向范围内产生均匀柱面声辐射、特别适合于液体超声处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超声波设备，特别涉及一种能产生全向柱面辐射的大功率复合超声
技术介绍
复合超声换能器以其功率密度大、机电转换效率高以及性能稳定等优点，在超声清 洗、超声焊接、超声振动切削及加工等功率超声领域具有广泛应用，如目前超声工程领 域应用很广的夹心式纵向复合超声换能器等。大功率超声在液体超声处理
具有广阔的应用前景。液体超声处理技术是利 用超声振动能量在液体介质中产生空化、辐射压以及声流等物理效应对液体进行处理的 一种节能环保的绿色超声应用技术。如在声化学反应领域，空化独特的物理化学环境丌 辟了新的化学反应途径，能骤增化学反应速度。在水处理领域，超声协同0:,对B0D、 C0D 等有机物的降解率可达90%以上。通过持续超声辐射，可以将有害有机物降解为无机 离子、水、二氧化碳或有机酸等无毒或低毒的物质，并可大大縮短处理时间。此外，超 声还可以直接作为传统化学杀菌处理的辅助技术。在用传统化学方法进行大规模水处理 时，增加超声辐射，可大幅度降低化学药剂的用量，因而能大大降低对环境造成的化学 污染。超声波用于中药成份萃取，是中药制药彻底改变传统的水煮醇沉萃取方法的新方 法、新工艺。超声萃取具有加热温度低、萃取时间短、萃取效率高、能耗低以及萃取工 艺成本低、综合经济效益高等显著特点。传统的液体超声处理技术，如超声清洗、降解等是通过在容器底部或四周粘接--组 阵列式纵向复合换能器来施加声场，由于纵向换能器振子辐射面是平面，其辐射声场指向性强，通常存在声场"盲区"，这是目前制约液体超声处理效能的"瓶颈"。目前，为 改善液体中声场分布的均匀性，提高声能辐射效率，已发展起来几种能产生柱面或类柱 面辐射的圆柱形超声换能器。如专利号为ZL 200520057492. 4，名称为"洗罐用的超 声棒"的技术专利，通过在横截面为圆形或多边形的圆管或菱管内壁均匀间隔地粘 接一定数量的纵向压电振子来产生径向振动。该超声棒换能器由于采用纵振换能器驱动，功率可以较大，存在的不足之处是(1) 、纵振换能器是间隔地安装于薄壁管内壁上，因此管壁沿周向振动并非是一种均 匀径向振动，而是弯曲振动，因而声能量辐射沿周向不均匀。特别对菱管形换能器，声能辐射主要集中在安装换能器的主表面方向，在近场还会出现声能辐射"盲区"；(2) 、对于频率较低的超声棒换能器，其横向尺寸(直径)将比较大，使其应用范围 受到限制。现有技术中，专利号为ZL 200520075667. 4，名称为"大功率超声换能器"的实用 新型专利,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-(1) 、换能器内部采用径向极化的压电陶瓷管，在高频电场激励下，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*31较小。对常用的PZT 压电陶瓷圆环或短圆管，^31的值约为0.33，因而换能器的机电转换效率较低。(2) 、金属预应力外壳对内部的压电陶瓷管只施加了由外向内的单向径向预应力，此 预应力不能施加的太大，否则压电陶瓷管会破碎。由于不能对压电圆管施加足够大的结 构预应力，该换能器的功率容量受到限制，功率密度较小。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。(3) 、换能器的金属外壳为双焉结构，层中间充油。依据声波的界面反射及透射理论， 声波在通过金属和油这两种声学特性阻抗差异很大的夹层时会引起较大的声能透射损失，从而使换能器的声辐射效率降低。此外，该超声换能器的金属预应力外壳与其内部 的压电陶瓷管通常是通过热胀冷縮法嵌套在一起的，两者之间的公差配合精度要求很 高，因而对压电陶瓷管的圆度及表面平行度以及预应力外壳内径加工精度要求很高，制 作工艺成本高。目前市场上也有名称为推拉式柱形换能器的产品，其结构是在一根金属圆管两端分 别耦合两个纵向复合压电换能器,通过圆管将其两端换能器的纵向振动转换为圆管的径 向振动。这种柱形换能器是利用纵向换能器激励，输入功率较大。不足之处是(1) 、该柱形换能器的径向振动是通过纵向和径向振动模式的耦合获得的。与单一振 动模式相比，存在一个能量转换效率的问题。通常模式转换的振动能量转换效率比单一 振动模式的换能器低。(2) 、圆管只能由两端的纵向复合换能器驱动，因此该柱形换能器总输出功率有限。 此外，圆管长度必须满足半波长整数倍，且圆管不宜做太长，否则，换能器效率低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种大功率容量、高辐射效率、能在径向全向范围 内产生均匀柱面声辐射、特别适合于液体超声处理的径向复合型大功率复合超声管。 为解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案为一种大功率复合超声管，包括若干个短复合管压电换能器单元，其特征在于所述 若干个短复合管压电换能器单元沿轴向用空心螺纹管连接成长复合超声管，该长复合超 声管两端设有盖子，每个短复合管压电换能器单元包括至少一个柱面压电陶瓷堆环组， 柱面压电陶瓷堆环组外部设有金属预应力外壳，柱面压电陶瓷堆环组外壁与金属预应力 外壳内壁紧密复合在一起，柱面压电陶瓷堆环组内侧设有扩张式预应力机构，相邻两个 短复合管压电换能器单元内部的扩张式预应力机构之间电连接，相邻两个短复合管压电换能器单元的金属预应力外壳之间电连接，每个柱面压电陶瓷堆环组内的柱面压电陶瓷堆单元电连接，相邻两个柱而fKill陶瓷堆环组之l'小ii连接.所述柱面压电陶瓷堆环组是由若干个几何参数和性能一致的柱面压电陶瓷堆单元 沿圆周方向均匀排列成环形，所述柱面压电陶瓷堆单元是由至少两片弧形压电陶瓷片和 夹在弧形压电陶瓷片之间的柱面金属薄电极叠合而成，弧形压电陶瓷片均为厚度极化， 相邻两片弧形压电陶瓷片极化方向相反，所述柱面压电陶瓷堆环组内各柱面压电陶瓷堆 单元的柱面金属薄电极电连接在一起。进一步地，相邻两个柱面压电陶瓷堆单元之间设有绝缘隔振薄片。 所述扩张式预应力机构由弧形金属衬条、锥形螺母和反向螺纹管构成，其连接关系 为弧形金属衬条与反向螺纹管通过锥形螺母相连接，弧形金属衬条外壁与柱面压电陶瓷 堆环组内壁紧密相接触，反向螺纹管内增4空心螺纹《;外,紧密相拨触， 弧形金属衬条外表面为柱面，其厚度自两端向中间线性增加呈锥面。 再进一歩地，相邻两个短复合管压电换能器单元之间设有绝缘隔振环，相邻两个短 复合压电换能器单元的金属预应力外壳之间设有防水环，相邻两个短复合管压电换能器 单元的金属预应力外壳之间再通过金属环紧密套接实现电连接。所述绝缘隔振环，起绝 缘和隔振作用，以减少相邻短复合管压电换能器单元之间的径向与纵向振动耦合，提高 复合超声管的径向声辐射效率。上述技术方案的复合超声管的优点在于-(1)、采用均为厚度极化的弧形压电陶瓷片的厚度振动模式，其厚度机电耦合系数fct比现有技术中的压电陶瓷管的横向机电耦合系数高40%以上，显著提高了压电陶 瓷的机电转换能力。另一方面，采用柱面压电陶瓷堆驱动，并利用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施加足够大的径向预压应力，使之 可工作于大功率径向振动状态，能成倍增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率复合超声管，包括若干个短复合管压电换能器单元，其特征在于：所述若干个短复合管压电换能器单元沿轴向用空心螺纹管连接成长复合超声管，该长复合超声管两端设有盖子，每个短复合管压电换能器单元包括至少一个柱面压电陶瓷堆环组，柱面压电陶瓷堆环组外部设有金属预应力外壳，柱面压电陶瓷堆环组外壁与金属预应力外壳内壁紧密复合在一起，柱面压电陶瓷堆环组内侧设有扩张式预应力机构，相邻两个短复合管压电换能器单元内部的扩张式预应力机构之间电连接，相邻两个短复合管压电换能器单元的金属预应力外壳之间电连接，每个柱面压电陶瓷堆环组内的柱面压电陶瓷堆单元电连接，相邻两个柱面压电陶瓷堆环组之间电连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世清，方健文，张志良，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：33[]