棒形超声辐射器的特性

　　1 引言

　　超声清洗以清洗速度快、洗净度高、节省溶剂的优点, 在机械、电子、轻工、光学和医药等国民经济的各个部门得到了应用。工程应用中, 不同的清洗对象, 要求有不同的超声装置。对细长管、深孔和玻璃瓶及化学器皿的超声清洗, 要求特殊的辐射器。这种辐射器直径比较小, 又能有效地在细管或细孔中产生所需要的超声波。对此, 文献[1]提出了两种方法:采用弯曲振动棒和纵向振动棒。采用纵向振动棒作为辐射器时, 只有棒的端面作为辐射面, 因此辐射面积小, 超声振动系统的电声效率低, 同时清洗效率不高。为此, 作者对纵向振动棒进行了改进, 提出了棒形超声波辐射器[2], 这种辐射器是在直棒上按一定规律刻有很多槽, 当辐射器中激起纵向振动时, 每个刻槽的两个表面均能辐射超声波。与纵振棒相比, 这种槽的辐射面积大, 系统电声效率高, 清洗效率高。本文研究了两种结构的棒形辐射器的振动特性和辐射声场特性, 并进行了试验验证。

　　2 棒形辐射器的振动特性

　　棒形超声波辐射器是在直棒上刻有槽的振动棒。因为刻槽, 在刻槽处产生了能辐射超声波的辐射面。刻槽方式不同, 即可得到不同结构的棒形辐射器。图1(a)(b)是两种不同结构的棒形超声辐射器。

　　当在棒的端头用纵向振动换能器在棒中激起纵向振动时, 辐射面的各个面即可辐射超声波。图1(a)(b)所示辐射器的刻槽, 基本辐射单元是两个相对的锥面。

　　对于棒形辐射器, 在空载状况下, 可以用一维振动理论对振幅和应力分布进行分析[3]。图2是用一维振动理论算得的图1所示结构辐射器基本辐射单元的振幅和应力分布的一个算例, 图中数值已归一化, 实线表示位移振幅, 虚线表示应力。算例中辐射器的共振频率是26kHz, 最大直径是18mm, 最小直径是8mm, 辐射器材料是不锈钢。

　　由图看出, 基本辐射单元是一个等效半波长, 其中点是振动的节点, 这是此辐射器的一个特点。

　　在超声清洗中, 辐射器的负载常常是液体。为考察辐射器的振幅分布, 我们用通用有限元软件Ansys计算了棒形辐射器, 置于直径为10cm的圆筒形不锈钢槽中时, 辐射器的振幅分布, 计算时假定槽中充满纯水。两种结构的辐射器均包含三个基本辐射单元。图3是负载下棒形辐射器的振幅分布。由图3可以看出, 负载情况下, 沿轴向方向辐射器的振幅有所下降, 这是由于声波辐射引起的振幅衰减。

　　3 棒形辐射器的声场特性

　　超声辐射器的声场特性是工程实际中最关心的问题, 因为声场直接决定了超声清洗及处理的质量。声场受到辐射器结构、边界条件及液体性质的影响。作为对棒形超声辐射器声场的一般了解, 设定本文所讨论的两种结构的射器共振频率为26kHz, 每种辐射器均有三个基本辐射单元, 辐射器置于装有纯水, 直径为10cm的不锈钢圆筒形槽中。声场模拟用通用有限元软件Ansys。图4是声场模拟结果的云图。由图4可以看出, 靠近辐射面处, 声波强度大; 结构(a)辐射器的声场强度大。