超声波换能器的设计与研究

2022-03-24虎勇彭公光师柱

机械工程师 2022年3期

虎勇，彭公光，师柱

（1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川凉山 615000；2.哈尔滨工程大学机电工程学院，哈尔滨 150001；3. 哈尔滨电机厂有限公司，哈尔滨 150040）

0 引言

目前水力发电厂大坝渗漏排水系统结垢严重，每年的6～10月由于结垢会造成排水泵频繁停机，严重影响生产。超声波是一种有效的除垢方法[1]，日益引起人们的重视。大功率超声换能器[2]主要有磁致伸缩换能器和压电换能器。磁致伸缩换能器机械强度高、可连续工作、功率容量大、声能频率范围宽、安全可靠、寿命长，适合用于除垢的场合[3-5]。

1 磁致伸缩换能器振子的设计

低频超声（20～50 kHz）[6-7]在液体内产生的空化强度高，适用于去除结合力较强的污垢及污垢较多时的清垢，频率越低除垢效果越好，但是当频率低于20 kHz时，产生的噪声严重，本文中采用24 kHz的低频超声波。一般液体的空化阈值约为0.5 W/cm2，当液体内超声波声强增大时，空化强度增大，有利于垢的清除[8]，本文设计的磁致伸缩换能器输出功率为150 W。换能器振子采用窗形结构，如图1所示。

图1 振子外形示意图

1.1 振子长度的确定

声波在镍中传播的速度为[4]

式中，T为超声波的周期，s。

振子磁致伸缩棒的横截面积与盖板的面积比S/S1<1。由换能器工作的谐振条件所确定振子的总长度应小于超声波半波长，则有：

式中：h为盖板的厚度，mm；l为磁致伸缩棒的长度，mm。

1.2 盖板厚度和棒体长度的确定

磁致伸缩棒处于谐振状态时条件为

式中，k为波数。

磁致伸缩换能器振子由2根磁致伸缩棒组成。对于单根的棒体，它的截面积S和盖板的截面积S1之比为S/S1=0.7，取棒长l=95 mm。

当S/S1<1时，换能器工作在谐振基频时（倍频工作时的情况很少），为了可以定量说明磁致伸缩棒在谐振状态下的关系，引入2个参数α和β：

1.3 峰值电流及电压的确定

在磁场强度H=30 Oe时，镍的磁致伸缩性能能够得到很好的利用[5]，振子表面位移伸长量为2.91 μm，其磁场强度转化为[9]

1.4 棒体截面积及振子长度和宽度的确定

在超声波电源输出电压为正弦信号，磁致伸缩棒的长度呈周期性变化，磁致伸缩棒中任意点的位移、振速和力均按激励电压的频率作正弦变化，而磁致伸缩棒在机械谐振状态下，棒端振速将达到最大值。换能器振子由2根磁致伸缩棒构成（棒1和棒2），即：

式中：Rm为机械摩擦阻力，在设计时忽略不计；ε1max为棒1在谐振状态下棒端纵向振动位移；ε2max为棒2在谐振状态下棒端纵向振动位移；ε˙1max为棒1在谐振状态下棒端的最大振速；ε˙2max为棒2在谐振状态下棒端的最大振速。

取单根棒宽为1.4 cm，长为3.3 cm。振子截面宽为3.3 cm，长为4 cm。

2 超声波变幅杆设计

超声波换能器辐射面产生的振幅较小，在24 kHz的工作频率下，振幅只有几微米，必须采用变幅杆放大振幅。本文采用圆锥形平滑过渡的阶梯型复合变幅杆，如图2所示，截面Ⅰ和截面Ⅲ为圆柱形等截面杆，截面Ⅱ为圆锥形变截面杆；这种变幅杆效率高、力学性能好，假设整个变幅杆采用均匀、各向同性的同一种材料制成，纵波沿杆的轴向传播。

图2 用圆锥形平滑过渡的阶梯型变幅杆

2.1 超声除垢装置变幅杆结构设计

式中：c为超声波在45钢中传播的速度，5941 m/s；f为系统的工作频率，24 kHz。

半波长变幅杆都存在一个截面，在截面处可以用其它设备对变幅杆进行固定。取

此时，截面位置处于阶梯型变幅杆大小截面突变处（l1与l2之间的突变处），振幅放大系数将达到最大值，满足阶梯型变幅杆的最佳设计条件。

图3 用圆锥形平滑过渡的阶梯型变幅杆的振幅放大系数ve/vf－kl2

为了实现在管道内可以发生空化效应，达到设计目的，设定超声变幅杆输出的超声波声强为21.22 W/cm2，大于设计目标要求1 W/cm2。

根据最佳匹配条件，超声变幅杆输入端振速应与换能器振子的表面振速相等。换能器振子输出端位移振幅值εa=2.91 μm，所以变幅杆的输出端振幅为

变幅杆的设计尺寸及变幅杆的应力与振速分布如图4所示。

图4 变幅杆的应力与振速分布

2.2 超声变幅杆的模态分析

变幅杆采用45钢，工作频率f=24 kHz，密度ρ=7800 kg/m3，弹性模量E=2.09×1011N/m2，l1=61.9 mm，l2=39.4 mm，l3=41.76 mm，泊松比σ=0.28，大端直径D1=60 mm，D2=30 mm。变幅杆的有限元模型如图5所示。采取由点到面的方法建立模型，单元类型为Plane842面单元，采用网格自动划分，等级为4时，节点为966个，单元2为87个。采用Block Lanczos进行模态提取，频率搜索范围区间为0～30 kHz，选择模态分析阶数为15阶。有限元模型及其网格划分如图5所示。分向量分布图如图6所示。从分析结果发现，理论计算所得到的用圆锥形过渡的阶梯型复合变幅杆的谐振频率f′=23575 Hz，与理论设计标准f=24000 Hz的误差在2%以内；变幅杆的截面位置在大小截面突变处（l1与l2之间的突变处），与设计理论相一致。