用于声化学的复合换能器的研究

　　1 引言

　　进行声化学研究、实现声化学反应的重要场所是声化学反应器, 声化学反应器是指有超声波引入并在其作用下进行化学反应的容器或系统, 与一般的化学反应器不同, 声化学反应器包括反应溶液的空间以及换能器两部分[1-3]。反应溶液和换能器之间属于耦合体系, 并且声化学反应的引发是通过超声的空化效应, 声空化是声化学反应的主动力。而声空化的形成、状态和强度与诸多的声学参量相关。当反应溶液物理、化学属性一定时, 声化学产率的高低主要取决于声化学反应器的形状和换能器及其阵列所产生的声场以及空化场的分布[4,5]。反应器内的声场分布越均匀, 越有利于提高声化学产率。因此, 对于声化学反应器的设计, 必须考虑换能器本身的参数。

　　目前, 实验室常用的清洗槽式声化学反应器所用的换能器一般都为夹心式压电换能器, 这类换能器由于辐射面积比较小, 因此容易产生局部空化腐蚀, 从而造成反应器内声场分布不均匀。为了改善反应器内的声场分布, 本文设计了纵弯复合模式换能器, 该换能器由纵向夹心式换能器与弯曲正六边形薄板组成, 由于弯曲振动的正六边形薄板的几何尺寸可以很大, 因此, 将此类换能器用于清洗槽式声化学反应器, 即在纵向振动夹心式换能器与清洗槽式声化学反应器之间增加一个弯曲振动正六边形薄板, 将会增大声波的辐射面积, 并且可以提高槽内声场的均匀性, 从而可以提高声化学产率。

　　2 复合振动模式换能器的设计理论

　　由于研究的振动系统包括纵向振动的夹心式换能器以及弯曲振动正六边形薄板, 为了保证复合系统的高效工作, 振动系统必须处于共振状态, 因此必须研究系统的共振频率。

　　2.1 弯曲振动正六边形薄板

　　由于正六边形薄板弯曲振动的复杂性, 其振动方程无解析解, 其共振频率方程也不能得到, 因此采用有限元方法, 对一定几何尺寸的正六边形薄板进行模态分析。

　　对边长为a=0.05m, 厚度为h=0.0045m 边界自由的正六边形薄钢板进行模态分析, 其材料泊松比σ=0.28, 杨氏模量E=19.5×10¹⁰N/m²。参数分别为: 密度ρ=7.8×10³kg/m³。得到中心位移幅值最大的模态振形如图1所示。以该模态频率作为整个复合系统的共振频率, 设计纵弯复合模式换能器。

　　2.2 纵向振动夹心式压电换能器

　　设计的夹心式压电换能器如图2所示, 该换能器的前后金属盖板分别为圆台形和圆柱形, 且换能器的节面位于压电陶瓷内部, 则换能器可看成是两个1/4波长振子的组合, 其共振频率方程为[6,7]: