基本信息
- 项目名称：
- 新型径向复合管压电超声换能器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目提出一种新型的径向复合管形压电超声换能器系统，提高了径向复合压电换能器的功率容量并改善其性能，并解决目前径向复合压电超声振动系统中施加径向预应力的关键技术问题。为改善径向复合型压电超声换能器系统的性能，提高其功率容量，拓展其应用范围等方面提供理论及技术支持。
- 详细介绍：
- 目前超声处理作为一种高新技术，以其无污染，低能耗，高效率等突出优点，在机械工业、电子电器、光学光电、航空航天、环境、军工以及制药工业等领域获得广泛应用。然而，所有这些超声处理技术都是基于产生强超声的大功率超声换能器实现。大容量液体超声处理需要大功率容量的超声换能器以及尽可能均匀的辐射声场。目前随着国家经济的快速发展，传统的“喇叭换能器加金属槽”的处理方式已不能满足当今技术要求。自上世纪八十年代，特别是近十几年来发展起来一类大功率柱形或管形径向辐射超声换能器，并已成为当前功率超声领域新的研究热点之一。这种浸没式径向辐射超声换能器所具备的大功率、大辐射面积以及径向辐射无指向等独特优点，使其在大规模液体超声处理技术领域显示出强大的生命力。但是作为功率超声换能器用，目前应用中管状复合压电换能器存在的关键技术问题是： （1）外部预应力管内径与其内部的压电陶瓷管外径之间多大的过盈配合才能对压电圆管施加最佳径向预应力目前还无定论； （2）预应力大小与预应力管壁厚度的关系； （3）如何进一步提高换能器的功率密度； （4）如何提高其温度稳定性，减少频率“温漂”效应。 基于以上问题，本项目提出一种新型的径向复合管形压电超声换能器系统，提高了径向复合压电换能器的功率容量并改善其性能，并解决目前径向复合压电超声振动系统中施加径向预应力的关键技术问题。为改善径向复合型压电超声换能器系统的性能，提高其功率容量，拓展其应用范围等方面提供理论及技术支持。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 该新型径向复合管压电超声换能器主要由三部分组成。内部为扩张式弹性胀套装置，其功能是提供由内向外的可调径向预压应力。换能器中间为一组环形排列的几何及性能参数一致的柱面压电陶瓷环组。厚度极化压电陶瓷片的厚度模机电耦合系数kt比径向极化压电陶瓷管的径向模横向机电耦合系数k31要大30%以上。可提高换能器的机电转换能力。 换能器外部为预应力圆管外壳。其功能是协同内部的弹性胀套装置对中间的压电陶瓷环组施加足够大双向径向预压应力。 由此通过对本换能器内部的柱面压电陶瓷环组提供了径向双向的预压应力，从而大幅度提高了压电陶瓷的功率密度及换能器功率容量。 【创新点】： 1)利用厚度极化柱面压电陶瓷片（组）的厚度振动模，提高了换能器的机电转换能力。 2)采用径向力大小可调扩张式弹性胀套，协同外部金属管对柱面压电陶瓷环组施加内外双向的径向预压应力，大幅提高了此类径向复合压电换能器的功率密度。 3)可依据具体应用需要，采用模块化设计方案，得到任意功率大小的径向复合管形超声换能器。 【技术关键和技术指标】： 1)找到换能器系统的最佳径向预应力参数及径向力可调扩张式弹性胀套结构的设计。 2)解决如何进一步提高换能器的功率密度。 3)单个短圆管换能器的功率容量达1.5KW，频率50kHz。效率比目前同类型高20%以上。当单个换能器沿轴向机械套接构成任意长柱型换能器时，其功率也随之累加，便可以满足各种液体超声处理的功率要求。
科学性、先进性
- 该径向复合管形压电超声换能器，其内部采用了径向力大小可调的扩张式弹性胀套装置。换能器内部的弹性胀套装置本身作为内部电极，避免了目前同类产品内壁电极极易打脱落的问题。同时协同外部金属预应力管壳，对中间的PZT压电陶瓷元件施加足够大双向预压应力，可大幅提高压电陶瓷的功率密度及换能器的功率容量。研制出工作频率为20~50 kHz，单个换能器功率密度比现有产品大1倍、效率高20%以上，且性能更稳定的样机。
获奖情况及鉴定结果
- （1）2011年浙江省新苗人才计划立项课题。 （2）浙江师范大学“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 实用新型专利
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片、录像 、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本径向复合管形超声换能器相比于目前同类产品具有更大的功率、更广辐射面积、更高能量转换效率以及径向辐射无指向等独特优点。 适用范围包括超声波清洗、超声波萃取、生物燃油制备以及超声波污水降解等。 超声波液体处理技术作为一种高新技术具有能耗少，效率高的特点，应用前景十分广阔。而目前的同类产品还存在很大的提高空间。所以本产品一旦研究完善，在同类产品中具有较大的竞争力。相应的具有较高经济效益。 本产品尤其在污水处理领域有着广阔的应用前景。液体超声处理设备在未来几年的市场将呈现整体上升的趋势。而本新型径向复合管压电超声换能器在现有的基础上进行了改进，优化了复合管换能器的内部结构，进一步提高了换能器的效率，从而更好地起到了节能减排的目的。一旦推入市场，将产生较大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 近几十年来，国内外研究用于液体处理的超声换能器种类较多，结构各异。典型的有，上世纪七、八十年代林仲茂等研制出的具有自主知识产权的半穿孔结构宽频带夹心式压电换能器；Branson公司研制的由纵向换能器驱动薄圆环辐射的污水处理器；美国先进声处理系统（Advanced Sonic Processing System）公司推出的双频水处理超声换能器等。为适应大容量液体超声处理应用需要，一类大功率径向振动管形、柱形或棒形超声换能器逐步发展起来并获得应用。早期的圆柱或管形压电换能器主要应用于水声领域。由于水声信号的无失真收发一般要求处在稳定的工作条件下，以避免产生非线性和空化，因而功率密度较小，效率仅为30%－40%。而功率超声对此类换能器的功率和效率等性能指标提出了更高的要求。从最新的文献检索看，近二十多年来国内外发展起来并正在研究的大功率径向振动超声换能器主要有以下几种。 九十年代Hielscher公司推出一种UIP系列大功率柱形超声换能器。目前该型换能器最大能承受16kW的电功率，且能在高温等恶劣环境下工作，特别适合于大容量液体超声处理。其工作原理类似push－pull换能器，即由多个大功率纵向复合压电超声振子纵向激励一根加工有多个圆盘的金属长棒，通过纵径振动模式耦合来辐射能量。棒长度亦为多个/2整数倍。圆盘处于棒的每个位移振幅波腹及波节上，其作用一方面增加棒的有效声辐射面积，以增大辐射有功阻，从而提高声能辐射效率。另一方面可防止振幅位移节点处因应力集中而在大功率工作状态下发生断裂。有限元分析及实验表明，由于圆盘的作用，该柱形换能器在声辐射功率与效率以及改善液体中声场分布均匀性等方面要优于上述push－pull推拉换能器。 自上世纪末以来，国内在这方面开展了较多研究。周光平等对这类径向振动换能器振动特性进行了深入研究，并取得了一系列成果。其工作主要是对这类管形及柱形径向振动超声换能器的耦合振动模态、辐射声场特性以及结构进行深入分析和优化设计。理论分析方法主要为解析法、有限元及边界元法。并在此基础上进一步研制出了用于声化学反应、超声降解等液体超声处理用新型复合超声变幅杆、超声管形聚焦式声化学反应器以及棒形超声辐射器等，并对这类超声辐射器的声辐射特性进行了深入研究。
