复频超声波清洗器的研制

　　超声波清洗以它独特的优势,已广泛地渗透到各行各业的高精度清洗领域,清洗效果的好坏与选取的超声波频率至关重要,低频(20~35 kHz)有利于大污垢较高强度的清洗,而高频(40 kHz以上)则有利于缝隙、间隙、深孔等的清洗[1]。目前市场上的超声波清洗设备多采用单一频率的工作方式,也就是每套设备只能工作在一个超声频率上,使结构复杂的工件得不到充分清洗,同时由于驻波场的形成[1],造成清洗盲区,使清洗效果不均匀。我们利用夹心式换能器通常具有多个工作频率的特点,通过适当改变压电晶片的堆放位置及组数,使换能器具有明显的两个可用谐振峰,通过时间控制及转换电路,使换能器既能工作在任一单频,又能在两个频率上交替工作,即复频工作,从而有效地消除清洗盲区,满足不同污物的有效清洗。

　　1 双频超声换能器的结构及特性

　　在复频超声波清洗系统中,换能器是关键组件之一,它必须具有两个谐振频率,且在其谐振点附近的阻抗要接近,以达到电与声的最佳转换。夹心式压电陶瓷换能器存在许多共振频率,即基频振动、1次谐频、2次谐频、,等,根据夹心式复合换能器的设计理论,通过适当的改变换能器的结构模式,可使其既能工作于基频,又能工作于一次谐频,即双频换能器。双频换能器的振动模式有两种,其基频振动为半波长,换能器中有一个节点;而谐频振动为全波长结构,换能器中具有两个节点。这两种振动模式,其节点位置是不同的,依据换能器中陶瓷片的位置对换能器性能影响的研究[2-3],压电陶瓷片最好放置在换能器的振动波节附近。因此,若按传统的夹心式换能器模式,即将压电陶瓷晶片放在一起,对于半波长振动模式,可能陶瓷晶片在其振动节点附近;对于全波长振动模式,陶瓷片将偏离其振动节点,使换能器的功率容量降低。为了满足两种不同振动模式对压电陶瓷晶片的位置排列要求,将压电陶瓷晶片分成二组,中间用金属构件分开/适当0的距离,使换能器在两种不同的振动模式中,压电陶瓷晶片基本上都处于振动波节附近,其结构形式如图1所示。前盖板采用金属铝制成喇叭型,增加辐射面,提高辐射阻抗(C水.S),降低机械品质因数Q;后盖板及中间“电极”采用内部功耗小,抗疲劳性能好,刚度高并有一定韧性的重金属45.钢,经特殊高温调制而成,

　　使能量大部分从前盖板辐射。用南京仪器厂生产的nw-1232频率特性测量仪测得该双频换能器的基频f1=29.2 kHz,1次谐频f2=52.1 kHz。将9只相同频率特性的双频换能器粘接在300mmx300mmx180mm的不锈钢清洗槽底部,使这9只双频换能器与清洗槽组成一个复频换能共振系统,测得该复频换能振动系统的基频f1-1=27.6 kHz,1次谐频f2-2=47.1 kHz。复频换能振动系统的两个共振频率比单个换能器的两个谐振频率都有明显下降,这可能与振动系统形状及换能器个体参数差异有关,但振动系统的频带较宽,这有利于系统的稳定工作。