固定超声换能器的超声换能器方法 和高输出功率的超声换能器 本发明涉及超声换能器，更确切地说，涉及用于这种高功率的超声换能器，以及用于安装这种超声换能器的方法。
超声波用来解决各种技术问题已在最近十年中迅猛地增长。各种应用包括，例如空间研究、航空、通信、航海应用，在汽车和其它工业中的应用，实验室和医学的应用，气体引燃器、喷雾器和报警系统的技术。在所述的各个方面中，最通常使用的机电换能器是使用压电材料，使机械能量变换成电能，反之亦然。此外，根据所需的效果，该材料可被极化来仅改变水平、垂直或径向的尺寸。压电特性固有地存在于某些结晶材料中并能做成存在于某些其它多晶材料中。
对于超声换能器的制造，最常用的压电材料是根据由锆酸钛酸铅(PZT)或钛酸铅(PT)制造的压电陶瓷。该陶瓷材料组成和制造过程可适合于满足实现例如，高功率或高灵敏度的应用。陶瓷材料是以使用它们的优选形状，例如以圆形盘或环形、方形盘、管状、球形的构件等的形式提供的。根据希望实现的结果，它们也可以各种厚度提供。
陶瓷元件可以或直接粘到希望发送超声波的结构，或可用于超声换能器的制造，它依次加到这种结构。为了使用高功率超声换能器地传输，陶瓷部件是通过使它受到由两个金属部件产生的永久压缩的方法被预压缩的，而在两个金属部件之间的陶瓷是通过在陶瓷部件上大到产生所需的压力的转矩来拧紧一个或几个螺栓的方法被压缩的。这种设计通常被称为“叠层换能器”。
下面结合附图对本发明及其背景予以详细地描述，其中：
图1和2是叠层换能器的例子，
图2是安装两个超声换能器的例子，
图4是超声换能器局部纵向剖面图，还显示了将其安装到一个结构上，
图5是通过超声换能器的另一实施例的剖面图，和
图6是通过超声换能器的又一实施例的纵向剖面图。
图1和2表示在不同设计中的叠层换能器的例子。陶瓷环3被设置在顶部金属部件1和底部金属部件2之间，它已用螺栓6拧紧，在通过底部金属部件所钻的孔加到在顶部金属部件的锥孔中的情况下，此后用施加已计算的转矩的方法将其拧紧，以致于所需的压力被加到陶瓷环上。在环之间是具有用于连接到火线的焊片4的接触垫片和具有在陶瓷环和金属部件之间用于连接到中线的焊片5的相应垫片。当安装制成的超声换能器时，这些被粘到例如，用于超声清洁的容器的壁或底上。图2的底部金属部件2呈圆锥形的原因是，使接触表面较大，于是就能传送更多的超声波能量到容器中。图3表示通过底部金属部件2是一个为依次按上面粘到容器的底部或壁上的两个换能器所共有的铝板构成的两个超声换能器的安装。在这一方面，用于对陶瓷环施加压力的螺栓是通过从公共底板的底侧的两个孔和通过陶瓷环进入在顶部金属部件的锥形钻孔中并用在陶瓷环上达到所需的压力的已计算转矩拧紧来实施的。
以上所述的设计原理给我们留下了三个不同的问题：
1.换能器装置的结构，意味着在某些工业应用中整个安装将必须是密封的，由于焊片及陶瓷环本身直接放在外界环境中因水和其它液体的存在引起的短路危险是不会有的。这意味着，由于在密封舱里会产生雾气的危险，所以必须要用干的仪表空气设置连续的气洗。在大量的工业设施中，除了进行机器清洗以外，必须使用设备所需要的高压清洗装置，这增加了安装成本。因此，换能器设计不能满足于工业设备换能器所必须的要求。
2.换能器的安装方法，当用粘贴方法时，它们通常使用用铝网加强的环氧树脂胶粘贴到想要传送超声波能量的表面上，当在窄区域进行固定和必须从下面进行固定时，会产生大的安装困难。由于换能器是粘到该表面上的，因该粘接是很强的而且被制成只在施加相当大的热量以软化环氧树脂的情形下才会脱离，所以不合格的换能器就不易于被更换。如上面每一个必要的水密封通常很难在已有设备上进行。该粘接减少了换能器的热传送，还削弱了超声波传输到液体中的效率。
3.确定换能器尺寸是非常复杂的。为了使整个换能器在所需频率上谐振，必须要考虑第一金属部分、另一金属部分和陶瓷部分的长度以及声速度、截面面积和这些部分的密度的影响。超声波的传输和从第一金属部分到另一金属部分并进入液体的热的扩散是仅通过把两个部分夹紧在一起的螺栓和然后仅通过来自螺栓头和另一金属部分的压力来实现的，这进一步减小了效率并使换能器的温度上升。
上面所述的三个问题对实现大量的工业应用中的安装的可能性构成主要的限制。因此，已经考虑了重新设计换能器的必要性和安装它们的方法，以便满足下列技术要求：
1.换能器必须被设计成可浸入水中的和密封的，以致它本身是完全不漏气体和液体的，并以这种方法进行装配，使它经受高压清洗而没有任何损害和破损的危险。
2.换能器必须以这种方法设计，使它由一个具有密封的压电元件的单个金属外壳组成，以致于得到仅一个谐振单元，并避免了同时适合于具有所有的共用谐振中每个单个谐振元件的尺寸的必要，而在不同的元件之间没有任何频率的相移。
3.用于产生和传输超声波能量的效率必须尽可能高，并且每个接触表面提供比目前换能器技术所提供的更多的超声波传输效果。
4.换能器必须以这种方法设计和安装，使换能器的冷却如此好以致于换能器温度的增加尽可能小。
5.安装换能器的方法必须根据金属与金属直接电的和声的接触并对基于换能器的模块互换的情况提供可能性。
6.换能器和安装它们的方法必须以这种方法相互适合，使进入液体中的超声波能量的分布尽可能广，以致于无害于超声波能量的密度，因此所谓“热点”将产生，但是，超声波能量将以相同方式起作用和在整个液体中具有相同的密度。
换能器设计和安装换能器的方法。
换能器设计和安装换能器的方法必须以它们共同起一个单元的作用的方法单个设计，以便满足以上所述的技术要求。换能器必须具有不同换能器元件之间的金属与金属接触，并且，对于外部安装，它们是用金属与金属接触固定在一起变成依次已焊接在构成换能器设备的基座的表面上的固定环。
图4显示这种结构侧剖面图的例子。换能器由位于底部容器2内侧的芯子1组成，该底部容器2具有两个压电陶瓷盘3，在它们之间是具有焊接片4的接触垫片，用于经铣成的和钻成的孔5通过芯子电缆连接到发生器火线连接器。通过固定总的金属-陶瓷接触，当压力加到涂银的陶瓷盘时，经换能器的金属部件就能实现对发生器的公共连接。底部容器2在底部件中是有螺纹的，以便当安装期间固定换能器时，允许拧入同样有螺纹的安装环6。底部容器2在顶端也是有螺纹的，允许拧入同样有螺纹的连接器部件7，以允许把几个换能器连接在一起并固定整个换能器组件的保护电缆连接。已经钻成的孔5通过换能器芯子从接触垫片的焊片的位置到换能器芯子的顶部中心，以允许电缆连接到发生器，此后，在电缆芯子和换能器金属部件之间安排总的电绝缘。
在敷设电缆和绝缘以后，钻孔以用环氧树脂或类似的密封材料填充的方法实现完全密封。芯子1外部的尺寸和底部容器2的内部直径是这样相互选择的，在通过收缩、焊接或通过另一种适当固定方法已把它们固定在一起以后，它们可以作为一个单个金属部件。
在固定以后，具有接触垫片的压电盘3在它们之间用电缆连接到芯子1的底部部件，该电缆是通过在芯子1中的钻孔5用绝缘电缆连接和电缆引入的。芯子1是通过使它放到液氮中冷却的。然后，在液压中芯子1被设置在底部容器2的内侧，两个部件用产生陶瓷的所需预压缩如此高的压力压在一起以致出现期望的陶瓷预压缩。这可通过安装在液压中的负载单元来控制。作为安全措施，当测量受到的压力时，由压电陶瓷3发出电压。如果它基本上偏离了正常情况，由于陶瓷盘3不满足技术要求而停止换能器的制造是可能的。当芯子1和底部容器2已经热压在一起时，它们通过焊接、销子、螺钉等方法保持相同的压力固定在一起，以致于在换能器从液压中移出以后，对陶瓷盘3所需的压力将被保持。在换能器从液压中移出以后，钻孔5用适当的密封材料，例如环氧树脂从孔的底部进行填充。由于换能器部件是在预定压力下已固定在一起的，每个换能器类型的恒定和可重复的换能器性能得到保证。
当安装该换能器时，首先把安装环6焊接到板壁上，通过这一点可期望超声波传输到液体中。将具有高金属含量，例如胶态银的粘合剂用于以上述方法制成的杯的底部。尽管诸如焊接的不锈钢之类的产品的不均匀表面，这就可做到使金属与在换能器和板之间的金属良好接触。此后，使用实现这个接触的固定的转矩，换能器被拧入安装环和连接器部件拧在底部容器的顶部，换能器电缆将与高张力电缆连接。所有电缆部件，电源电缆和换能器电缆用密封管连接密封在保护管内和完成了换能器安装。此后，安装的所有换能器以相同方法安装和整个系统安装已准备的用完全密封的换能器和用管保护所有电缆连接，管的设计使得整个安装可经受高压清洗而没有损坏的危险。
如果希望制造由几个换能器构成的浸入水中的单元，它们经连接管以相同方法连接和用如上的管保护电缆。在图4所示的连接管7已表示为T形的形式，用于一个单个换能器的连接，但是可更好制造用于将几个换能器连接到它。如果例如，每个连接管具有4个换能器连接，它可具有在所有4个方向上发射超声波能量的浸入水中的单元，这可有一个大优点，例如，装配进入具有大直径和高度的容器。浸入水中的换能器最好是用防酸材料制成的，而对于外部安装的换能器是由硬铝制成的，由于这种材料比防酸材料更好将热传出换能器。在腐蚀性的环境中，用于外部安装的换能器当然也用防酸材料制成。
图5表示作为压电元件已使用里、外侧涂银的压电陶瓷管1的换能器设计的另一种解决途径。该管是通过将它设置在内部管3和外部管2之间被预压力的，其直径4和5是以这种方法确定：通过冷却内部管3和加热外部管2到达在陶瓷管1上所需的预压力，此后，元件的温度达到环境或工作温度。在这种方法中，在进行收缩压缩以前通过把几个陶瓷段安装在长的内部和外部管之间能把各个长的换能器单元构成在一起，每个换能器单元就能达到极高的输出功率。
图6表示具有径向极化的许多陶瓷环1已设置在外部管2和内部管3之间的这种结构的长度截面。每个换能器端壁4优选为由不锈钢制造的，可被制造成通过焊接、O圈密封等方法保证端部连接完全是水和气密的。该制造方法可以制造完全气和水密的换能器，更适合于作为浸入水中的超声单元。在内部管3和外部管2上仅使用两个具有连接器6和7的电连接点且该发射是由浸入水中的单元向外辐射的。如果极性被改变，超声波功率将是径向向里发送，被用于例如排气、消毒、均匀化和在内部管的内部的开口区8注入的液体中改进在不同物质之间的反应。如果换能器单元企图用于向外辐射，在内部管的内侧开口区8，由于经陶瓷管加到内部管的能量将使管子和陶瓷的温度增加，必须采用冷却介质的循环，和由于否则它将使这些部件的温度增加到不可接受的程度而必须将其传送掉。
由于换能器单元被制造成圆柱棒的形式，浸入水中的单元的超声波能量将径向向外发射，这意味着超声波能量将是均匀分布在周围的液体内。换能器要求的第6点，这种要求在理想方法中得到满足。它对具有极高输出功率的工作提供可能性。如果使用具有外直径为76mm和壁厚为6.35mm的陶瓷环，浸入水中的单元可发射10KW且每米换能器单元可达到20KW。对于具有径向向里传输的换能器单元，即使以极低的流速进入通过管注入的液体中，它可达到极高的超声效果。这便为工业处理中的超声波能量的使用开辟了新的可能性。使用一般限制到最大200W的如图1-3的本发明超声换能器完全可以实现这些输出功率电平，并因此在技术的超声范围内它可构成完全新的构思。
上面所述的换能器结构并不局限于完全圆形的外形，而是可用于椭圆形、四边形、六角形等所有形状的外形。陶瓷部件在其内侧有一个孔，通过收缩可实现陶瓷的预压缩，因此，它能用于高功率输出设备。在本文的第一页已描述了应用的几个范围，但是在本专利中已描述的技术将可以作出许多其它应用。本领域的专家对这种高功率技术可寻找出许多其它应用范围，但是这些企图是在本发明的范围之内。