專利名稱：一種大功率復合超聲管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲波設備，特別涉及一種能產(chǎn)生全向柱面輻射的大功率復合超聲
背景技術：
復合超聲換能器以其功率密度大、機電轉換效率高以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在超聲清 洗、超聲焊接、超聲振動切削及加工等功率超聲領域具有廣泛應用，如目前超聲工程領 域應用很廣的夾心式縱向復合超聲換能器等。
大功率超聲在液體超聲處理技術領域具有廣闊的應用前景。液體超聲處理技術是利 用超聲振動能量在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化、輻射壓以及聲流等物理效應對液體進行處理的 一種節(jié)能環(huán)保的綠色超聲應用技術。如在聲化學反應領域，空化獨特的物理化學環(huán)境丌 辟了新的化學反應途徑，能驟增化學反應速度。在水處理領域，超聲協(xié)同0:,對B0D、 C0D 等有機物的降解率可達90%以上。通過持續(xù)超聲輻射，可以將有害有機物降解為無機 離子、水、二氧化碳或有機酸等無毒或低毒的物質(zhì)，并可大大縮短處理時間。此外，超 聲還可以直接作為傳統(tǒng)化學殺菌處理的輔助技術。在用傳統(tǒng)化學方法進行大規(guī)模水處理 時，增加超聲輻射，可大幅度降低化學藥劑的用量，因而能大大降低對環(huán)境造成的化學 污染。超聲波用于中藥成份萃取，是中藥制藥徹底改變傳統(tǒng)的水煮醇沉萃取方法的新方 法、新工藝。超聲萃取具有加熱溫度低、萃取時間短、萃取效率高、能耗低以及萃取工 藝成本低、綜合經(jīng)濟效益高等顯著特點。
傳統(tǒng)的液體超聲處理技術，如超聲清洗、降解等是通過在容器底部或四周粘接--組 陣列式縱向復合換能器來施加聲場，由于縱向換能器振子輻射面是平面，其輻射聲場指向性強，通常存在聲場"盲區(qū)"，這是目前制約液體超聲處理效能的"瓶頸"。目前，為 改善液體中聲場分布的均勻性，提高聲能輻射效率，已發(fā)展起來幾種能產(chǎn)生柱面或類柱 面輻射的圓柱形超聲換能器。如專利號為ZL 200520057492. 4，名稱為"洗罐用的超 聲棒"的實用新型專利，通過在橫截面為圓形或多邊形的圓管或菱管內(nèi)壁均勻間隔地粘 接一定數(shù)量的縱向壓電振子來產(chǎn)生徑向振動。該超聲棒換能器由于采用縱振換能器驅(qū)
動，功率可以較大，存在的不足之處是
(1) 、縱振換能器是間隔地安裝于薄壁管內(nèi)壁上，因此管壁沿周向振動并非是一種均 勻徑向振動，而是彎曲振動，因而聲能量輻射沿周向不均勻。特別對菱管形換能器，聲
能輻射主要集中在安裝換能器的主表面方向，在近場還會出現(xiàn)聲能輻射"盲區(qū)"；
(2) 、對于頻率較低的超聲棒換能器，其橫向尺寸(直徑)將比較大，使其應用范圍 受到限制。
現(xiàn)有技術中，專利號為ZL 200520075667. 4，名稱為"大功率超聲換能器"的實用 新型專利,采用多級帶有金屬預應力外殼的短圓管壓電換能器單元沿軸向機械串接而成， 這種換能器能夠獲得較好的徑向振動模式，但有以下不足-
(1) 、換能器內(nèi)部采用徑向極化的壓電陶瓷管，在高頻電場激勵下，換能器的徑向振 動是通過壓電圓管的3—1耦合實現(xiàn)的，其橫向機電耦合系數(shù)*31較小。對常用的PZT 壓電陶瓷圓環(huán)或短圓管，^31的值約為0.33，因而換能器的機電轉換效率較低。
(2) 、金屬預應力外殼對內(nèi)部的壓電陶瓷管只施加了由外向內(nèi)的單向徑向預應力，此 預應力不能施加的太大，否則壓電陶瓷管會破碎。由于不能對壓電圓管施加足夠大的結 構預應力，該換能器的功率容量受到限制，功率密度較小。此外，該換能器的內(nèi)電極(導 線)直接焊接在壓電陶瓷管內(nèi)壁的鍍層電極面上，兩者之間為"點"接觸，當換能器輸 入電功率較大時，強烈的振動容易引起高壓打火及電極脫落。
(3) 、換能器的金屬外殼為雙焉結構，層中間充油。依據(jù)聲波的界面反射及透射理論， 聲波在通過金屬和油這兩種聲學特性阻抗差異很大的夾層時會引起較大的聲能透射損失，從而使換能器的聲輻射效率降低。此外，該超聲換能器的金屬預應力外殼與其內(nèi)部 的壓電陶瓷管通常是通過熱脹冷縮法嵌套在一起的，兩者之間的公差配合精度要求很 高，因而對壓電陶瓷管的圓度及表面平行度以及預應力外殼內(nèi)徑加工精度要求很高，制 作工藝成本高。
目前市場上也有名稱為推拉式柱形換能器的產(chǎn)品，其結構是在一根金屬圓管兩端分 別耦合兩個縱向復合壓電換能器,通過圓管將其兩端換能器的縱向振動轉換為圓管的徑 向振動。這種柱形換能器是利用縱向換能器激勵，輸入功率較大。不足之處是
(1) 、該柱形換能器的徑向振動是通過縱向和徑向振動模式的耦合獲得的。與單一振 動模式相比，存在一個能量轉換效率的問題。通常模式轉換的振動能量轉換效率比單一 振動模式的換能器低。
(2) 、圓管只能由兩端的縱向復合換能器驅(qū)動，因此該柱形換能器總輸出功率有限。 此外，圓管長度必須滿足半波長整數(shù)倍，且圓管不宜做太長，否則，換能器效率低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種大功率容量、高輻射效率、能在徑向全向范圍 內(nèi)產(chǎn)生均勻柱面聲輻射、特別適合于液體超聲處理的徑向復合型大功率復合超聲管。 為解決上述技術問題，本發(fā)明采取的技術方案為
一種大功率復合超聲管，包括若干個短復合管壓電換能器單元，其特征在于所述 若干個短復合管壓電換能器單元沿軸向用空心螺紋管連接成長復合超聲管，該長復合超 聲管兩端設有蓋子，每個短復合管壓電換能器單元包括至少一個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組， 柱面壓電陶瓷堆環(huán)組外部設有金屬預應力外殼，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組外壁與金屬預應力 外殼內(nèi)壁緊密復合在一起，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)側設有擴張式預應力機構，相鄰兩個 短復合管壓電換能器單元內(nèi)部的擴張式預應力機構之間電連接，相鄰兩個短復合管壓電
換能器單元的金屬預應力外殼之間電連接，每個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)的柱面壓電陶瓷堆單元電連接，相鄰兩個柱而fKill陶瓷堆環(huán)組之l'小ii連接.
所述柱面壓電陶瓷堆環(huán)組是由若干個幾何參數(shù)和性能一致的柱面壓電陶瓷堆單元 沿圓周方向均勻排列成環(huán)形，所述柱面壓電陶瓷堆單元是由至少兩片弧形壓電陶瓷片和 夾在弧形壓電陶瓷片之間的柱面金屬薄電極疊合而成，弧形壓電陶瓷片均為厚度極化， 相鄰兩片弧形壓電陶瓷片極化方向相反，所述柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)各柱面壓電陶瓷堆 單元的柱面金屬薄電極電連接在一起。
進一步地，相鄰兩個柱面壓電陶瓷堆單元之間設有絕緣隔振薄片。 所述擴張式預應力機構由弧形金屬襯條、錐形螺母和反向螺紋管構成，其連接關系 為弧形金屬襯條與反向螺紋管通過錐形螺母相連接，弧形金屬襯條外壁與柱面壓電陶瓷 堆環(huán)組內(nèi)壁緊密相接觸，反向螺紋管內(nèi)增4空心螺紋《;外,緊密相撥觸， 弧形金屬襯條外表面為柱面，其厚度自兩端向中間線性增加呈錐面。 再進一歩地，相鄰兩個短復合管壓電換能器單元之間設有絕緣隔振環(huán)，相鄰兩個短 復合壓電換能器單元的金屬預應力外殼之間設有防水環(huán)，相鄰兩個短復合管壓電換能器 單元的金屬預應力外殼之間再通過金屬環(huán)緊密套接實現(xiàn)電連接。所述絕緣隔振環(huán)，起絕 緣和隔振作用，以減少相鄰短復合管壓電換能器單元之間的徑向與縱向振動耦合，提高 復合超聲管的徑向聲輻射效率。
上述技術方案的復合超聲管的優(yōu)點在于-
(1)、采用均為厚度極化的弧形壓電陶瓷片的厚度振動模式，其厚度機電耦合系數(shù)
fct比現(xiàn)有技術中的壓電陶瓷管的橫向機電耦合系數(shù)高40%以上，顯著提高了壓電陶 瓷的機電轉換能力。另一方面，采用柱面壓電陶瓷堆驅(qū)動，并利用內(nèi)部的擴張式預應力 機構與外部的金屬預應力外殼協(xié)同對柱面壓電陶瓷堆施加足夠大的徑向預壓應力，使之 可工作于大功率徑向振動狀態(tài)，能成倍增大壓電陶瓷元件的功率容量，并顯著提高該復 合超聲管的機電轉換效率和聲輻射效率。同時，擴張式預應力機構也增強了該復合超聲管的徑向剛度，使之還可應用于高壓強環(huán)境，如用作深井采油聲發(fā)射換能器等，擴充了 其應用范圍。
(2) 、可通過調(diào)節(jié)短復合管壓電換能器內(nèi)部的擴張式預應力機構的預應力大小對每 個短復合管壓電換能器單元的諧振頻率進行調(diào)整，使連接的各個短復合管壓電換能器單 元的諧振頻率基本一致。此外，利用壓電陶瓷堆環(huán)組直接驅(qū)動外部金屬預應力外殼作徑 向振動，與現(xiàn)有技術的同類型產(chǎn)品相比，其電聲效率要高的多。
(3) 、復合換能器連續(xù)工作在大功率應用狀態(tài)時，其內(nèi)部發(fā)熱十分顯著，高溫會加 速壓電陶瓷的老化。該復合超聲管換能器中部為空心螺紋管，當其工作在大功率狀態(tài)時， 可在其螺紋管中通以常溫流體進行散熱降溫，大大降低了壓電陶瓷的老化速度，延長了 其工作壽命，并能顯著提高復合超聲管工作的穩(wěn)定性。此外，該復合超聲管的加工制作 無需進行高精度的公差配合設計，大大降低了其裝配工藝難度和工藝成本。該復合超聲 管的壓電元件與預應力管之間的裝配不需要經(jīng)過熱處理，結構上可拆卸。
(4)、可通過結構參數(shù)設計，在復合超聲管的空心螺紋管軸線附近區(qū)域獲得高強度 的柱面聚焦超聲場，使之可應用于一些高聲強技術領域，如超聲粉碎等。
上述技術方案的復合超聲管尤其適用于大容量超聲清洗、超聲降解、生物柴油制備 以及超聲化學等液態(tài)超聲處理技術領域。
圖l為本發(fā)明大功率復合超聲管的縱剖面結構示意圖。
圖2為本發(fā)明大功率復合超聲管的橫剖面示意圖。
圖3為本發(fā)明大功率復合超聲管中的柱面壓電陶瓷堆中.兀示意圖。
圖4為本發(fā)明大功率復合超聲管中的柱面金屬薄電極示意圖。
圖5為本發(fā)明大功率復合超聲管中的弧形金屬襯條示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示， 一種大功率復合超聲管，由空心螺紋管1穿過帶中心通孔的端蓋2 以及四個短復合管壓電換能器單元3，再穿過端蓋4的中心通孔，在兩端分別利用螺母 5和6旋緊連接。端蓋2和4的中心通孔與空心螺紋管1及螺母5和6之間設置有防水 密封圈7和8。每個短復合管壓電換能器單元3中含有兩組柱面壓電陶瓷堆環(huán)組，如圖 2所示每組柱面壓電陶瓷堆環(huán)組由八個幾何參數(shù)及性能一致的柱面壓電陶瓷堆單元^ 圓周均勻排列成環(huán)形構成，如圖3所示每個柱面壓電陶瓷堆單元由'兩片弧形壓電陶瓷 片9和夾在兩片弧形壓電陶瓷片9之間的柱面金屬薄電極10用環(huán)氧樹脂粘接疊合組成， 柱面金屬薄電極10作為兩片弧形壓電陶瓷片9的公共正電極，所述柱面金屬薄電極10 亦為柱面狀，每組柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)的八個柱面壓電陶瓷堆單元的柱面金屬薄電極 10用導線相連接，每個柱面壓電陶瓷堆單元的兩片弧形壓電陶瓷片9均為厚度極化， 且極化方向相反，相鄰兩柱面壓電陶瓷堆單元之間設有絕緣隔振薄片11。如圖4所示 各柱面壓電陶瓷堆環(huán)組用環(huán)氧樹脂粘貼并固化在其外部的金屬預應力外殼12的內(nèi)壁 上，所述金屬預應力外殼12為圓管形，其外壁面鍍鎳，以提高耐腐蝕性。
柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)側設有擴張式預應力機構，所述擴張式預應力機構由弧形金 屬襯條13、反向螺紋管14、錐形螺母15構成，其連接關系為弧形金屬襯條13與反向 螺紋管14通過錐形螺母15相連接，反向螺紋管14兩端分別加工有正反向螺紋，材料 為金屬。錐形螺母15材料亦為金屬，其外側壁呈錐面并與弧形金屬條13的內(nèi)側錐面相 吻合。弧形金屬襯條13外壁與柱面壓電陶瓷堆環(huán)組的內(nèi)壁相接觸。如圖5所示，所述 弧形金屬襯條13的外側面為柱面，內(nèi)側面呈錐面，其厚度自兩端向中間線性遞增。
擴張式預應力機構的作用一方面對每個短復合管壓電換能器單元3內(nèi)部的兩組柱
面壓電陶瓷堆環(huán)組提供由內(nèi)向外的徑向擴張預應力，另一方面用作短復合管壓電換能器
單元的負電極。當順時針或逆時針旋轉反向螺紋管14時，可使一對錐形螺母15相向或
向反移動來調(diào)整徑向擴張預應力大小，實現(xiàn)對短復合管壓電換能器3諧振頻率的微調(diào)。每個短復合管壓電換能器單元3內(nèi)部的兩組柱面壓電陶瓷堆環(huán)組之間設有帶通孔 的絕緣圈16分隔。相鄰兩個短復合管壓電換能器單元3之間設置有絕緣隔振環(huán)17，相 鄰兩個短復合管壓電換能器單元3的金屬預應力外殼12之間設有帶通孔的防水環(huán)18， 并通過金屬環(huán)19緊密套接實現(xiàn)電連接，所述金屬環(huán)19起固定和電極連接作用。每個短 復合管壓電換能器單元3內(nèi)部的兩組柱面壓電陶瓷堆單元的柱面金屬薄電極10用導線 20煌接在一起，相鄰兩個短復合管壓電換能器3內(nèi)部柱面金屬薄電極10亦用導線20 焊接相連接，相鄰兩個短復合管壓電換能器單元3內(nèi)部的反向螺紋管14的內(nèi)壁與空心 螺紋管1的外壁相接觸以利于傳熱并實現(xiàn)電連接，并作為負電極。端蓋4上有穿線孔， 孔內(nèi)設置有防水線座21，防水線座21與穿線孔之間設置有防水密封圈22。電源線23 一端的負電極穿過防水線座21后用導線24和導線25分別焊接在端蓋4和空心螺紋管 丄上，端蓋2和4與金屬預應力外殼12緊密套接實現(xiàn)電連接，并與空心螺紋管1 一起 作為復合超聲管的負電極。正電極穿過防水線座21后用導線26和導線27焊接到各柱 面壓電陶瓷堆的柱面金屬薄電極10上，電源線23另一端與外部超聲電源正負電極相連 接(圖中超聲電源未顯示)。端蓋2與短復合管壓電換能器3之間設有隔振密封環(huán)28, 端蓋4與短復合管壓電換能器3之間設有帶通孔的隔振密封環(huán)29。
上述的短復合管壓電換能器單元3可以是多個沿軸向套接,具體套接個數(shù)依據(jù)應用 中所需功率大小而確定。 '
上述的復合超聲管外部的金屬預應力外殼選用輕金屬材料，如硬鋁合金或鈦合金
等，且管壁厚度較薄，其內(nèi)部的擴張式預應力機構材料選用重金屬，如不銹鋼或銅等，
可顯著提高復合超聲管的有效機電耦合系數(shù))U以及向外輻射聲能效率。
權利要求
1、一種大功率復合超聲管，包括若干個短復合管壓電換能器單元，其特征在于所述若干個短復合管壓電換能器單元沿軸向用空心螺紋管連接成長復合超聲管，該長復合超聲管兩端設有蓋子，每個短復合管壓電換能器單元包括至少一個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組外部設有金屬預應力外殼，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組外壁與金屬預應力外殼內(nèi)壁緊密復合在一起，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)側設有擴張式預應力機構，相鄰兩個短復合管壓電換能器單元內(nèi)部的擴張式預應力機構之間電連接，相鄰兩個短復合管壓電換能器單元的金屬預應力外殼之間電連接，每個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)的柱面壓電陶瓷堆單元電連接，相鄰兩個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組之間電連接。
2、 根據(jù)權利要求1所述的大功率復合超聲管，其特征在于所述柱面壓電陶瓷堆 環(huán)組是由若干個幾何參數(shù)和性能一致的柱面壓電陶瓷堆單元沿圓周方向均勻排列成環(huán) 形,所述柱面壓電陶瓷堆單元是由至少兩片弧形壓電陶瓷片和夾在弧形壓電陶瓷片之間 的柱面金屬薄電極疊合而成，弧形壓電陶瓷片均為厚度極化，相鄰兩片弧形壓電陶瓷片 極化方向相反，所述柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)各柱面壓電陶瓷堆單元的柱面金屬薄電極電 連接在一起。
3、 根據(jù)權利要求2所述的大功率復合超聲管，其特征在于相鄰兩個柱面壓電陶 瓷堆單元之間設有絕緣隔振薄片。
4、 根據(jù)權利要求1至3任一項所述的大功率復合超聲管，其特征在于所述擴張 式預應力機構由弧形金屬襯條、錐形螺母和反向螺紋管構成，其連接關系為弧形金屬襯 條與反向螺紋管通過錐形螺母相連接，弧形金屬襯條外壁與柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)壁緊 密相接觸，反向螺紋管內(nèi)壁與空心螺紋管外壁緊密相接觸。
5、 根據(jù)權利要求4所述的大功率復合超聲管，其特征在于弧形金屬襯條外表面 為柱面，其厚度自兩端向中間線性增加呈錐面。
6、根據(jù)權利要求5所述的大功率復合超聲管，其特征在于相鄰兩個短復合管Bi 電換能器單元之間設有絕緣隔振環(huán)，相鄰兩個短復合壓電換能器單元的金屬預應力外殼 之間設有防水環(huán)，相鄰兩個短復合管壓電換能器單元的金屬預應力外殼之間再通過金屬 環(huán)緊密套接實現(xiàn)電連接。
全文摘要
一種大功率復合超聲管，由若干個短復合管壓電換能器單元沿軸向用空心螺紋管連接成長復合超聲管，該長復合超聲管兩端設有蓋子，每個短復合管壓電換能器單元包括至少一個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組外部設有金屬預應力外殼，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組外壁與金屬預應力外殼內(nèi)壁緊密復合在一起，柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)部設有擴張式預應力機構，相鄰兩個擴張式預應力機構之間電連接，相鄰兩個短復合管壓電換能器單元的金屬預應力外殼之間電連接，每個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組內(nèi)的柱面壓電陶瓷堆單元電連接，相鄰兩個柱面壓電陶瓷堆環(huán)組之間電連接。這種大功率超聲管能在徑向全向范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻柱面聲輻射、特別適合于液體超聲處理。
文檔編號G10K9/00GK101650937SQ200910102269
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月10日 優(yōu)先權日2009年9月10日
發(fā)明者劉世清, 張志良, 方健文 申請人:浙江師范大學