一种高输出声压的超声电源

技术领域

本发明属于超声波技术领域，具体涉及一种高输出声压的超声电源。

背景技术

超声声源是利用压电陶瓷超声频率的振动定向发射声波的装置，具有结构紧凑、设计灵活、响应快、不受电磁干扰等优点。目前，超声声源广泛应用于距离探测、消泡、除锈和超声驱鸟等领域，具有高度实用价值。

现有超声声源多采用金属振动体-压电陶瓷双层复合结构。由于金属材料弹性模量大、密度高，现有声源的输出声压低、重量大，限制了现有声源的应用范围。而树脂材料的弹性模量低、密度低，本发明提出了利用低振动损耗功能性树脂材料代替金属制作振动体的设计方案，从而克服上述缺陷。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中金属振动体高弹性模量和高密度导致的超声声源低输出声压的问题，本发明提出了一种利用低振动损耗功能性树脂材料低弹性模量和低密度的特性来克服上述问题的高输出声压的超声声源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高输出声压的超声电源，包括换能器和设置在所述换能器端面上的振动薄片；所述换能器包括圆柱振动体、圆锥振动体以及通过螺栓夹持安装在所述圆柱振动体和所述圆锥振动体之间的压电陶瓷片；所述圆锥振动体的大圆端接触所述压电陶瓷片，所述振动薄片设置在所述圆锥振动体的小圆端的端面上；所述圆柱振动体、圆锥振动体以及振动薄片均采用树脂材料。

进一步地，所述树脂材料为聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮、聚醚砜、碳纤维增强型聚苯硫醚及碳纤维增强型聚醚醚酮中的一种或多种材料的混合。

进一步地，所述圆柱振动体和圆锥振动体的中间均开设有用于穿设螺栓的通孔。

进一步地，所述压电陶瓷片为5枚，每片所述压电陶瓷片的厚度为所述换能器全长的1/50；所述压电陶瓷片的内孔的直径为所述圆柱振动体外径的1/3。

进一步地，所述振动薄片的厚度为0.2mm，所述振动薄片的直径为所述圆柱振动体直径的1.6倍。

进一步地，所述圆锥振动体的长度为所述换能器长度的1/2，所述圆锥树脂振动体的锥角为20°。

进一步地，所述圆柱振动体的长度为所述换能器长度的2/5。

进一步地，所述圆柱振动体的弹性模量为3.45GPa，密度为1350kg/m

进一步地，所述螺栓长度为所述换能器长度的1.2倍，所述螺栓直径为所述圆柱树脂振动体直径的1/5。

更进一步地，超驱动电压为20V

本发明的一种高输出声压的超声电源的有益效果是：

1、本发明利用树脂材料作为超声声源的振动体，树脂材料弹性模量低、密度低的特性，实现换能器振动速度以及超声声源输出声压的提高；超声声源采用圆柱振动体、压电陶瓷片以及圆锥振动体的夹心结构，保证振动体和压电陶瓷片间具有足够高的连接强度，避免大振幅超声振动条件下粘合剂强度不足导致超声声源损坏的问题。

2、本发明超声电源的圆柱振动体长度设置为换能器全长的2/5，可避免圆柱振动体的发热，圆锥振动体长度设置为换能器全长的1/2，锥角设置为20°，有助于提高换能器的振动速度，进而增大超声声源的输出声压。

3、本发明的压电陶瓷片为5枚且每枚压电陶瓷片厚度设置为换能器全长1/50，可增大换能器的机电耦合系数，进而提高超声声源的输出声压，振动薄片的厚度为0.2mm，可有效提高树脂薄片的振动速度以及超声声源的输出声压。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例的整体结构图；

图2是本发明实施例的输出声压和驱动频率的关系图；

图3是本发明实施例的声压和接收方向的关系图。

图中:1、换能器，11、圆柱振动体，12、圆锥振动体，13、压电陶瓷片，2、振动薄片，3、螺栓，4、第一螺钉，5、第二螺钉。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图3所示的本发明的一种高输出声压的超声电源的具体实施例，包括换能器1和设置在换能器1端面上的振动薄片2；换能器1包括圆柱振动体11、圆锥振动体12以及通过螺栓3夹持安装在圆柱振动体11和圆锥振动体12之间的压电陶瓷片13；圆锥振动体12的大圆端接触压电陶瓷片13，振动薄片2设置在圆锥振动体12的小圆端的端面上；圆柱振动体11、圆锥振动体12以及振动薄片2均采用树脂材料。

本发明中树脂材料为聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮、聚醚砜、碳纤维增强型聚苯硫醚及碳纤维增强型聚醚醚酮中的一种或多种材料的混合。作为优选，本发明实施例中的圆柱振动体11、圆锥振动体12以及振动薄片2的材料为聚苯硫醚，圆柱振动体11、圆锥振动体12的弹性模量和密度分别为3.45GPa和1350kg/m

圆柱振动体11的长度为换能器1长度的2/5，可避免圆柱树脂振动体的发热。圆锥振动体12的长度为换能器1长度的1/2，圆锥振动体12的锥角为20°，该设计可增大换能器1的机电耦合系数，进而提高超声声源的输出声压。压电陶瓷片132为五枚，每片厚度为换能器1全长的1/50；该设计有助于提高换能器1的振动速度，进而增大超声声源的输出声压。圆柱振动体11和圆锥振动体12的中间均开设有用于穿设螺栓3的通孔，其通孔的直径和压电陶瓷片13的内径均为圆柱振动体11外径的1/3。将螺栓3依次穿过圆柱振动体11、压电陶瓷片13、圆锥振动体12以及振动薄片2，在螺栓3的两端分别用第一螺钉4和第二螺钉5拧紧，将换能器1和振动薄片2夹紧，避免大振幅超声振动条件下粘合剂强度不足导致超声声源损坏的问题。

如图1所示的振动薄片2的厚度为0.2mm，振动薄片2的直径为圆柱振动体11直径的1.6倍，可有效提高振动薄片2的振动速度以及超声声源的输出声压。螺栓35长度为换能器14长度的1.2倍，螺栓35直径为圆柱振动体11直径的1/5。

现有超声声源一般采用金属振动体-压电陶瓷双层结构，由于金属弹性模量高、密度大，利用现有超声声源无法获得高输出声压。本发明基于树脂材料低弹性模量和低密度的特性，提出树脂超声声源，以解决现有超声声源低输出声压的问题。本发明实施例的工作原理为在压电陶瓷片13上加载交流电压时，聚苯硫醚材料的圆柱振动体11、圆锥振动体12和压电陶瓷片13产生纵向振动，引起聚苯硫醚材料的振动薄片2的弯曲振动。该弯曲振动引起振动薄片2附近空气振动，发出超声波。

在驱动电压为20V

试制声源和商用声源性能对比表

结果显示，在驱动频率为58.9kHz条件下，如图2所示，距离声源30cm处声压为38.9Pa，是现有商用超声声源输出声压的3.2倍。图3为该声源的指向性，即声压和接收方向的关系图，可以看出在±45°和±65°出现旁瓣。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。