轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器及清洗装置和方法

技术领域

本发明属于换能器技术领域，涉及一种轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器及超声清洗装置和方法。

背景技术

压电换能器是目前超声换能器的主要类型，其中多使用压电陶瓷，由于陶瓷容易加工成所需要的形状，可改变其组分和工艺以满足各种用途的高性能要求，因此使用很普遍；极化的压电陶瓷在周期信号激励下，产生伸缩振动，并通过别的振动部件将振动传输，实现电能与机械能的转换。现有的压电换能器缺点是振动方向单一，为了改善这一缺点，在振动杆上增加螺旋槽，实现螺旋振动，还有通过改变振动杆与压电陶瓷之间夹角，实现水平和垂直两个方向的振动，但是这些换能器都存在以下问题：结构复杂、振动方向会出现弯曲，振动频率慢，而且体积较大。

超声清洗是利用换能器的振动在清洗槽内产生超声场，会在清洗槽底部与清洗槽内液体的液面之间产生驻波，驻波就有波节，波节的地方没有振动，容易形成清洗死角，清洗不彻底。

发明内容

针对现有压电换能器及清洗装置出现的技术问题，本发明提供一种轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器及超声清洗装置和方法，产生纵向和横向两种交替合成振动模型，且横向振动和弯曲振动合成后的稳定辐射声场，超声场没有死角，清洗彻底，超声清洗效率高；且结构简单，体积小，应用前景广阔。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器包括置于液体介质内的振动辐射罩以及置于液体介质外的振动柱，所述振动辐射罩是上下两端封闭的空心筒状结构；所述振动柱设置在振动辐射罩底部外且与振动辐射罩同轴设置，振动柱产生的振动传递给振动辐射罩，通过振动辐射罩辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动。

进一步地，所述振动柱包括依次分布在同一轴线上并通过螺栓连接的前盖板、压电陶瓷堆、后盖板；所述前盖板设置在振动辐射罩的底部中心位置，并与振动辐射罩连接为一体。

进一步地，所述前盖板、压电陶瓷堆、后盖板的直径相同，高度之比为5:4:3。

进一步地，所述振动辐射罩底部直径与振动柱的直径之比为1.92～5.2：1；所述振动辐射罩的深度与振动柱的高度之比为1.16～1.64:1。

一种超声清洗装置，包括所述的轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器以及清洗槽；所述轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器的振动辐射罩设置在清洗槽底部，与清洗槽之间密封连接；所述轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器的振动柱延伸至清洗槽的底部外侧，其产生的振动传递给振动辐射罩，通过振动辐射罩向清洗槽内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动，使清洗槽内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。

所述振动辐射罩与清洗槽之间、以及清洗槽与振动柱之间分别设置有防水密封垫。

进一步地，所述轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器是1个或者并列排布的多个。

一种超声清洗方法，该方法为振动柱连接激励电源，产生振动，通过振动辐射罩向清洗槽内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动，使清洗槽内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。

进一步地，所述方法具体包括：

1)振动柱的压电陶瓷堆受激励后产生沿轴向的纵振动；

2)压电陶瓷堆所产生的纵振动经前盖板传递到振动辐射罩，经振动辐射罩的底部和侧部从不同方向辐射，进而向清洗槽内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动，使清洗槽内沿着轴向或径向分别由振动辐射，形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。

进一步地，所述轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器的振动频率为18～40KHz。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器，换能器结构简单，且主要针对液体介质传递振动，利用上下两端封闭的空心筒状结构的振动辐射罩，在液体介质中形成由纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动，提供一种全新的振动方式。

2、本发明提供的超声清洗方法，该方法为振动柱连接激励电源，产生振动，通过振动辐射罩向清洗槽内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动，使清洗槽内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。避免液面之间产生驻波，使振动分布均匀，无死角，清洗更彻底。

3、本发明通过合理选择振动换能器的材质以及尺寸，使换能器的振动频率可高达39.317KHz，实现换能器体积小，振动频率高的目的，在清洗装置中应用使清洗彻底、全面，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明提供的换能器结构示意图；

图2为本发明提供的超声清洗装置纵向剖视示意图；

图3为本发明换能器产生的第一种振动曲线示意图；

图4为本发明换能器产生的第二种振动曲线示意图；

其中：

1—振动辐射罩；2—振动柱；21—前盖板；22—压电陶瓷片；23—后盖板；3—螺栓；4—清洗槽；5—防水密封垫。

具体实施方式

现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。

实施例1

参见图1，本实施例提供的轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器，包括置于液体介质内的振动辐射罩1以及置于液体介质外的振动柱2，振动柱2设置在振动辐射罩1底部外且与振动辐射罩1同轴设置，振动柱2产生的振动传递给振动辐射罩1，通过振动辐射罩1辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动。

本实施例中，振动辐射罩1是上下两端封闭的空心筒状结构；材质为金属、也可以是不锈钢，优选的，振动辐射罩1的材质为铝。

本实施例提供的振动柱2包括依次分布在同一轴线上并通过螺栓3连接的前盖板21、压电陶瓷堆22、后盖板23；前盖板21设置在振动辐射罩1的底部中心位置，并与振动辐射罩 1连接为一体。

本实施例中，前盖板21、压电陶瓷堆22、后盖板23的直径相同，且直径为***mm，前盖板21高度、压电陶瓷堆22高度、后盖板23高度分别为25mm、20mm和15mm，厚度之比为5：4：3。前盖板21和后盖板23材质为铝；压电陶瓷堆2由4个压电陶瓷片上下堆叠而成，压电陶瓷堆2的总高度为20mm。前盖板21和后盖板23的材质为金属、也可以是不锈钢，优选的材质为铝。

本实施例中，螺栓3的材质为不锈钢。

下面以几组不同尺寸的换能器以及其工作频率，对发明进行进一步地说明，具体参见表 1。

表1不同尺寸换能器的工作频率对比

其中：R—振动辐射罩内径；t—振动辐射罩壁厚；L1—前盖板高度；L2—后盖板高度。

从表1中可以看出：

(1)当振动辐射罩1壁厚为8mm、前盖板21高度相同、后盖板23高度相同时，当振动辐射罩1内径越小，则换能器的振动频率越大；且当振动辐射罩1内径为16mm时，振动频率可达39.317Hz；

(2)当振动辐射罩1内径相同均为40mm、前盖板21高度相同、后盖板23高度相同时，振动辐射罩1壁厚越厚，则换能器的振动频率越大；当振动辐射罩1壁厚为25mm时，振动频率可达33.644Hz。

综上所述，振动辐射罩1壁较薄，振动辐射罩1内径较小时，换能器产生的功率较大，说明本发明提供的换能器体积小、而振动频率高。

实施例2

参见图2，本实施例提供的超声清洗装置，包括实施例1提供的轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器以及清洗槽4。

本实施例中，轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器的振动辐射罩1设置在清洗槽4底部，与清洗槽4之间密封连接，轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器的振动柱2延伸至清洗槽4的底部外侧，其产生的振动传递给振动辐射罩，通过振动辐射罩1向清洗槽4内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动，使清洗槽4内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。

具体的，振动辐射罩1与清洗槽4、以及清洗槽4与振动柱2之间分别设置有防水密封垫5；防水密封垫5可采用防水橡胶垫，也可以采用环氧树脂密封胶层将振动辐射罩1粘在清洗槽4底部并进行密封，具有防水密封的效果，保证振动传递。

本实施例提供的轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器是1个。但是在实施时，可根据清洗槽4的大小，当清洗槽4的口径过大时，也可以在清洗槽4内并列排布多个实施例1提供的换能器，多个换能器间距可设置为小于在水中振动频率对应波长的二分之一。

本实施例提供的振动辐射罩1在清洗槽4内部，其底部与清洗槽4底部相连，中间置放防水密封垫5；螺栓将清洗槽底部、换能器振动柱2的前盖板21、压电陶瓷堆22、后盖板23连接起来。在振动辐射罩1、清洗槽4底部与前盖板21之间有防水密封垫5。

本实施例提供的超声清洗装置实现的超声清洗方法，该方法为振动柱2连接激励电源，产生振动，通过振动辐射罩1向清洗槽4内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替而成的合成振动，使清洗槽4内形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。

方法具体包括：

1)振动柱2的压电陶瓷堆22受激励后产生沿轴向的纵振动；

2)压电陶瓷堆22所产生的纵振动经前盖板21传递到振动辐射罩1，经振动辐射罩1的底部和侧部从不同方向辐射，进而向清洗槽4内辐射出纵向轴对称弯曲振动和沿径向横振动交替作用的合成振动，使清洗槽4内沿着轴向或径向分别交替循环振动辐射，形成横向振动和弯曲振动合成的稳定辐射声场。

轴向弯曲和横向振动合成型压电换能器的振动频率为18～40KHz。

为了进一步验证本发明产生的振型，通过利用大型有限元数值计算软件comsol进行模拟，换能器大小采用表1中第一试验组的数据的尺寸，在工作频率f＝18.131kHz的条件下模拟其振动，振型结果具体如图3、4所示。

从图3可以看出，换能器的第一种振型主要是纵向轴对称弯曲振动，由图4可以看出，换能器的第二种振型主要是沿径向横振动交替而成的合成振动，两种振型交替循环辐射。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。