一种大功率超声换能器的设计

第32卷第5期声学技术Vol.32,No.52013年10月TechnicalAcousticsOct.,2013一种大功率超声换能器的设计胡淑芳1，上官明禹2(1.福州海峡职业技术学院电通系，福州350014；2.福州大禹电子科技有限公司，福州350000)摘要：基于超声换能器设计理论，提出一种大功率超声换能器的设计及工程计算方法。该换能器由纵向振动夹心式换能器、半波长圆锥形变幅杆和盘棒式工具头组成，根据设计参数及特点，实际制作换能器，通过测试该换能器频率f=20.24kHz，标称功率可达1500W，符合设计初衷。进而验证了这种计算方法的可行性。该换能器可用于污水处理、油田开采及生物柴油等领域的技术开发中，具有推广价值。关键词：功率超声；超声换能器；振子；变幅杆；工具头中图分类号：TB552文献标识码：A文章编号：1000-3630(2013)-05-0436-03DOI编码：10.3969/j.issn1000-3630.2013.05.016ThedesignofahighpowerultrasonictransducerHUShu-fang,SHANGGUANMing-yu(1.FuzhouStraitVocationandTechnologicalCollege,Fuzhou350014,China;2.FuzhouDayuElectronicTechnologyCo.,Ltd.,Fuzhou350000,China)Abstract:Basedonthedesigntheoryofultrasonictransducer,thedesignandengineeringcalculationmethodofthehighpowerultrasonictransducerisproposed.Thetransducerconsistsofalongitudinalsandwichtransducer,ahalfwavevi-brationconicalhornandadisk-rodshapedtoolhead.Accordingtothedesignparametersandcharacteristics,anactualtransducerhasbeendeveloped.Throughtests,thetransducerfrequencyisf=20.24kHzandthenominalpowerisupto1500W.Thisresultisconsistentwiththeoriginaldesign,andindicatesthatthiscalculationmethodisfeasible.Thistransducercanbeusedforwastewatertreatment,oilexploitation,biodieselprocessingandsoon.Keywords:powerultrasound;ultrasonictransducer;oscillator;ultrasonichorn;toolhead0引言功率超声是利用超声振动形式的能量来对物质进行处理加工的一门技术，广泛应用于大型复杂零部件的清洗、中药萃取、污水处理、纳米技术及生物柴油等新兴领域中[1]。目前，人们尤其关注以液体为工作媒质的应用领域，其工作机理是由超声振动系统向液体中辐射大功率声能，利用声空化产生的高温高压环境来加速或改变化学反应过程。大功率换能器主要有两个发展方向，一个是提高单个振子的功率容量，因为整个换能器的功率取决于振子的功率；另一个是工具头的优化设计，常用的工具头有中空的棒、带盘的棒(带盘的棒其盘间[1]距也可以是不一样的)、圆环等。另外，纵向振动的压电陶瓷超声换能器具有电声效率高、机电耦合系数高及功率容量大等优点，因此，在功率超声技术中得到了广泛应用。本文设计了一种由振子、变幅杆和工具头三部收稿日期:2013-05-09;修回日期:2013-08-15作者简介:胡淑芳(1984－),女,内蒙古乌兰察布人,硕士,从事教学工作。通讯作者:胡淑芳,E-mail:[e-mail]分构成的大功率超声换能器。其中，振子是由3个纵向振动夹心式压电换能器均匀分布组成的换能器阵，目的是提高发射声功率。需要注意的是换能器本身的振幅功率密度不够，不能够直接使用。例如：当换能器频率为20kHz时，其辐射面的位移振幅只有几微米，而在高强度超声应用中，振动位移幅度需要几十甚至几百微米量级。因此，必须在换能器的端面处连接超声变幅杆，将机械振动放大，从而使声能更加有效地在换能器和声负载之间传递。如果把振子看作是振动的推动级，那变幅杆就是振幅的放大级。工具头可以把机械能和压力传至工作物，同时也有增大辐射面积、放大振幅的功能。工具头采用盘棒式结构，与变幅杆相连，变幅杆将超声波能量振动传递给工具头，再由工具头将超声波能量发射到化学反应液体中。1大功率换能器设计原理1.1纵向振动夹心式换能器(振子)的设计夹心式压电换能器一般有前后盖板、陶瓷片、预应力螺栓和金属电极片等组成，其设计模型如图1所示。第5期胡淑芳等：一种大功率超声换能器的设计437图1夹心式压电换能器剖面图Fig.1Sectionalviewofthesandwichpiezoelectrictransducer图中、和分别表示前盖板、后盖板和陶瓷片的厚度。为了简化问题，选换能器的节点位置位于陶瓷片的中间位置，根据换能器理论[2]：4l2l13ll+1133klkl=(1)由于，所以陶瓷片中波数13ll=132πfkkc==(2)式中：f为换能器工作频率，c为陶瓷片中声速，331Ecsρ=(33Es为弹性柔顺常数，ρ为陶瓷片密度)。节点前后两部分纵向振动的频率方程分别为111222tan()tan()ZklklZ=(3)333444tan()tan()ZklklZ=(4)式中，、、、及1k2k3k4k1Z、2Z、3Z、4Z分别为换能器各部分的波数和机械阻抗。222πkfc=；42πkf=4c。选择各部分截面积相同，则有13ZZcSρ==；222ZcSρ=；444ZcSρ=。为后盖板中声速，2c222cEρ=2(为后盖板材料的杨氏模量，2Eρ为后盖板密度)；为后盖板中声速，4c444cEρ=(为前盖板材料的杨氏模量，4E4ρ为前盖板密度)[3]。上述给出的是换能器频率与其几何尺寸的关系，给定换能器的设计频率，就可得出其几何尺寸，反之亦然。1.2半波长圆锥形变幅杆的设计超声变幅杆又称超声聚能器，其主要作用是将换能器输出的机械振动的质点位移或速度进行放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，起到聚能作用。此外，它还具有隔离反应溶液和换能器以及固定整个超声波振动系统的作用。本文采用半波长圆锥形变幅杆，其设计模型如图2所示。由变幅杆设计理论[4]可知，大端面与小端面直径之比12=DND，通过查表，可知的值(为声波在klk变幅杆中的波数，l为变幅杆的长度)。进而可得变图2半波长圆锥形变幅杆剖面图Fig.2Sectionalviewofthehalfwavelengthconicalhorn幅杆的长度pl为()2πpkllλ=(5)其中，λ为声波在变幅杆传播中的波长。位移节点0x计算公式为()0tankkxα=(6)其中，1pNNlα−=。变幅杆的位移节点位置要准确，在振动系统的具体安装过程中，要在位移节点处设置一个法兰盘，法兰盘与变幅杆做成一体，再用螺栓将法兰盘固定在相对静止的支架上，从而使得振动系统声能耗散最小、谐振频率与声阻抗的波动最小。1.3盘棒式工具头的设计大功率换能器的工具头通常采用单端纵向激励一根带盘的棒，使棒产生纵向振动的同时带动盘一起振动，从而增大辐射面积，提高纵向辐射声能。盘棒式工具头其实质是由多节阶梯形变幅杆组成，本文的工具头是由6节1/4波长的阶梯杆组合而成，其设计模型如图3所示。图3盘棒式工具头剖面图Fig.3Sectionalviewofthedisk-rodshapedtoolhead根据阶梯形变幅杆设计原理[4]，如果节点位置在宽端，则变幅杆纵向振动的频率方程为()()21cotcotSkakbS=(7)其中：a、分别为阶梯形变幅杆宽端和窄端的长b438声学技术2013年度；、分别为宽端和窄端的截面积。1S20kH2S0.5±2实验及结果为了验证上述理论，本文设计加工了一个频率为、功率为1kW的大尺寸超声换能器。具体材料及参数如下：zkHz(1)振子前后盖板材料为钢，陶瓷片材料为P8，根据功率容量的计算，每个振子要用6片陶瓷片，其几何尺寸为50mm17mm5mmφ××，33Es=，；前后盖板材料同为钢，并考虑到中间有穿通孔，故前后盖板的杨氏模量参数E的等效计算过程如下：在不开孔的情况下，前后盖板直径为50mm，机械力与应变比为，开孔直径为16mm，根据比例关系，图5换能器导纳-频率曲线Fig.5Theadmittance-frequencycurveofultrasonictransducer器的工程计算，算法简单易懂，无需计算机就可得出结果。(2)由于声速与机械力和应变比值有关，因此在计算过程中要考虑各部分材料及中间穿孔大小对机械力与应变比值的影响。在计算振子部分的过程中，由于是通孔所占比例较大，因此考虑了孔的大小对机械力与应变比值的影响；在变幅杆部分，由于不是通孔而且孔的大小占整个变幅杆的比例较小，因此忽略开孔对机械力与应变比值得影响。122m1013.9/N−12010×.251×337.610kg/m=×ρ210.2510x×25016x1212=1.251(3)要避免横-纵振动的强烈耦合，获得一个较好的纵向振动，换能器设计频率要远离换能器各个组成部分的径向共振频率。可得104410=×则剩余部分的机械力与应变比参数为：101010.2501.25441010.995610×−×=×(4)振子、变幅杆和工具头之间都使用螺栓连接，各部分表面要磨光。故杨氏模量和取值为，2E4E1021110N/m×24ρρ==，。由公式(1)到(4)可得，前后盖板的长度为25mm。337.912437==28m/scc10×50052=mkg/mmmm(5)具体加工过程中，振子内部在工艺上要注意做绝缘处理。(2)变幅杆材料为钢，其参数为：，，，。由公式(5)和(6)可得圆锥形变幅杆的长度，位移节点。1120mmD=mm2mD=x3.3643kl=4670m/sc=125pl=本文设计的超声换能器经试验测试证明了计算方法的有效性。该换能器可用于声化学反应、污水(生活污水、油田污水等)处理、生物柴油加工及中药萃取等领域，具有实际意义。但是该设计模型是基于一维等效方法实现的，其成立要满足截面直径与波长关系的假设条件，因此此计算方法快捷的同时还存在某些不足。(3)工具头材料为钢，其参数为：宽端直径为50m，窄端直径为，则40mm214050SS=，。4670m/sc=代入公式(7)，可得宽端长度，窄端长度为。20mma=45mmb=参考文献根据以上参数，制作的换能器如图4所示。[1]应崇福.超声学[M].科学出版社,1990:456-459.YINGChongfu.Ultrasonics[M].ScienceEducationPress,1990:456-459.[2]张云电.夹心式压电换能器及其应用[M].科学出版社,2006:71-79.图4大功率超声换能器Fig.4TheactualhighpowerultrasonictransducerZHANGYundian.Thesandwichpiezoelectrictransduceranditsapplication[M].ScienceEducationPress,2006:71-79.通过实际测量，测得该换能器的频率为f=，其导纳-频率曲线如图5所示。20Hz.24k[3]付志强,林书玉.大尺寸余弦形超声变幅肝的设计[J].声学技术,2008,27(5):765-768.在正常工作状态下