一种椭球型便携式超声换能器的应用研究

刘文静 刘细宝 金杭超 黄健强 王钊利

（杭州瑞利超声科技有限公司，杭州，310023）

绿色环保健康理念逐步深入人心，各类厨房清洗用产品也应运而生。其中代表性的产品有：水槽式洗碗机（带超声功能）、柜式洗碗机、抽屉式洗碗机、纯超声清洗机，前三类产品均以高压喷淋、高温杀菌技术为支撑，第四类产品是采用超声技术的小功率便携机。这四类产品的功能对比见表1。

家用超声清洗机是家电和功率超声技术的结合。表1中采用喷淋结合热烘干技术的产品因其存在盲区和清洗角度限制，功效有明显不足。超声技术应用于清洗行业，具有全方位彻底清洗的特点，可以有效克服上述产品的缺点。通过试验对比可以发现，现有超声产品存在明显不足，主要是功率与噪音/成本这两组重要参数的矛盾，从而限制了该技术的应用推广。本文针对上述问题开展了研究，并在关键技术上取得了突破——开发了一款用于清洗机的椭球型便携式超声换能器。

表1 现有几类家用清洗机功能对比

1 结构设计分析

1.1 主体结构

实验比较平面和曲面的辐射面发现：以椭球整体辐射代替平面或柱面辐射，即换能器的辐射头用椭球代替普通圆柱或圆台，可在不增大体积的前提下显著增大换能器的辐射面，提高换能器的有功负载，进而提高换能器可施加电功能力。从外观上，结构更加小巧且环境适应性更强。图1是换能器的平面图。

图1 椭球型便携式超声换能器平面图

1.2 密封降噪设计

为了保证换能器在高频振动时不漏水，同时防止密封壳体与换能器之间的撞击，避免噪音，我们在密封端面采用了静态密封设计方式实现动态密封效果，壳体之间通过螺纹加力使密封圈发生形变，从而实现从线密封变为面密封，显著提高了密封效果。经过试验效果良好。

1.3 复合工具头设计

换能器在工作时，辐射面会产生强烈的超声空化作用，这种作用对换能器前盖板或工具头会产生强烈的腐蚀危害。为了抗腐蚀，一般换能器前盖板和工具头都用耐腐蚀材料如钛合金、不锈钢等。而要将超声技术应用于家用，低成本是必须要解决的问题。因此我们设计的椭球型便携式超声换能器辐射头采用耐腐蚀材料，而后端前盖板则采用了经氧化处理的、低成本、轻质的铝合金材料，两种材料构成了复合工具头。

2 有限元分析

通过有限元ANSYS软件分析可以发现，换能器具有较好的声学特性和声辐射均匀性。图2是换能器的有限元分析结果：换能器模型图、导纳曲线、声场辐射云图。可以看出，换能器在水中的频率为38 kHz（实际制作出来为41 kHz左右）。水中的声场较为均匀，虽然在椭球面存在一个反相交界点，但由于换能器工作时为近场工作，并不影响声辐射效果。

图2 椭球型便携式超声换能器有限元分析

3 换能器与功放匹配技术

为了更好地将换能器投入实际应用，还需与功率放大器进行匹配后才能实现。

3.1 频率和带宽选择

换能器在谐振频率附近的阻抗较低，电声转换效率高，而在水中频率则会适当降低。随着温度的变化，换能器的频率也会发生改变。因此换能器在一定的频率范围内工作则会使得整个设备具有更好的宽容性。通过大量试验，发现该换能器通过阻抗匹配后，在特定频带范围内（40～42 kHz）扫频工作非常稳定，同时扫频产生特有冲击波还可以提高清洗效果。

3.2 反馈拾取信号触发保护机制

为了提高机器的安全性和可靠性，避免无载或过载工作，大量试验后我们选择电流反馈来拾取负载变化情况，确定下一步施加的电功率，实现自适应工作。另外，还可以通过设置电功率上下限让机器工作于安全的工作功率范围内。

3.3 功率选取

通过成本核算和大量试验发现，家用超声在200 W以内已有较好的清洗效果，且产品成本较低。另外，设备工作时的噪音是难以根除的，其主要来源于超声空化泡与容器壁、清洗对象产生的撞击声，并随着功率增大而增大。在特定容积范围内，200 W功率产生的撞击声低于58 dB，符合国家标准。从清洗效果看，在200 W功率下，若电声转换效率较高，清洗效果可以满足使用要求。

4 结束语

椭球型便携式超声换能器辐射面的曲面设计解决了大功率辐射与美观外形兼顾的问题，采用复合工具头设计解决了耐腐蚀与低成本的问题；独特的密封方式起到了动态密封和振动去耦降低噪音的双重作用。采用此型换能器的清洗机（如图3所示），其功率在200 W时噪音不高于58 dB，满足电动洗碗机标准关于噪音规定[1-2]。与国内同类产品相比，在换能器频率、体积和辐射面相近的情况下，可施加电功率提升了 3～4倍，能实现深度清洁。体积小巧又便携使得产品具有更为广泛的适用范围。该产品可用于家庭碗具、食材、儿童玩具的深层清洗及果蔬的除菌消毒[3]。

图3 超声清洗机实物图片