管形径向复合压电陶瓷超声换能器

　　随着超声应用技术的发展,一类新型大功率径向振动超声换能器逐步发展起来,并已成为当前功率超声领域的研究热点.这种浸没式径向辐射超声换能器具有辐射面积大、辐射效率高以及径向辐射无指向性等特点,在大容量工业超声清洗、污水处理、生物燃油制备以及除湿剂脱水再生等超声处理技术领域具有十分广阔的应用前景[1-5].

　　20世纪90年代德国Hielscher公司推出一种UIP系列大功率柱形超声换能器,并用于水处理等领域.该换能器利用大功率纵向复合超声换能器对一根金属长棒作纵向激励,通过纵径振动模式耦合来获得径向振动能量输出.美国Crest公司推出一种用于改善超声清洗声场分布的推拉换能器[6-7].这种换能器通过对2个耦合在1根金属圆管两端的纵向复合压电振子进行激励,对圆管产生同相位纵向推拉作用并在径向产生声能辐射.近年来,国内学者对这类管状换能器的振动模态及其辐射声场开展了深入研究[8-9].上述柱形超声换能器主要通过纵径振动模式耦合来获得径向振动能量输出,因而其电声效率会受到振动模式转换效率的制约.此外,由于振动模式耦合的复杂性,其设计常借助有限元或边界元法[10].

　　圆管换能器在水声领域应用十分广泛,如水听器等.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效应,因而其功率密度较小,效率仅40%左右.而功率超声对此类换能器的功率和效率提出了更高要求.为提高这类压电换能器的功率容量,本文以圆管压电换能器为研究对象,通过金属管对其内部的压电陶瓷管施加足够大预应力,以大幅提高换能器的功率容量并改善其性能.基于弹性力学理论及机电类比原理,建立圆管形径向复合压电换能器的等效电路模型,导出其共振和反共振频率方程,进而对其径向振动特性进行研究和实验验证.

　　1 圆管形压电换能器径向振动分析

　　图1所示的圆管形径向复合压电换能器,由径向极化压电陶瓷短圆管与等长薄壁金属预应力管径向复合而成.图中:r0为压电圆管的平均半径;rin、rout分别为预应力管的内、外半径;h为换能器高度,并甚小于管直径,即换能器径长比较大;Er为径向激励电场.外部金属预应力管对压电陶瓷管提供足够大的径向预应力,以大幅提高换能器的功率密度及功率容量.该复合换能器通过其内部的压电陶瓷管直接驱动外部金属管做径向振动,因而其电声转换效率较高.实际应用中的压电圆管通常为薄壁短圆管,管壁厚度一般约为其直径的1/10,高度约为直径的1/2或更小.若外激励电场使换能器达到径向机械谐振状态,此时,换能器管壁厚度及其高度等方向的振动可忽略而只认为其做平面径向振动.以下理论分析均基于上述假设.