低噪音液体振动换能激励装置 本发明是一种用于激发液体产生低频振动的低噪音推挽式换能激励装置，主要用于声能清洗等利用声能激发液体产生振动的功率声能应用领域。
利用声能，尤其是利用超声波进行清洗，已经有几十年的历史了。由于这种清洗方法效果好，劳动效率高而获得了广泛的应用。但是功率超声清洗技术却始终没有多大发展，其主要原理还是使用专用的高频电源驱动压电或磁致伸缩换能器，激发液体振动而产生空化现象来实现清洗。但超声清洗也有一定的缺点，主要是需用专用的高频电源，而使其造价高昂、维修困难；同时超声泄漏还会对人体产生危害。这些缺点限制了它更广泛，尤其是在日常生活中的应用。
对于利用声能清洗，很早就有人提出了另外一种方式，即在化学性质活泼的液体中，使用电磁换能器在很低的频率下，能非常有效地清洗污垢(见《超声波及其在工业中的应用》，P158，O.N.巴比科夫，科学出版社，1962年)。因为在低频下，一定功率的声能在液体中是以空化现象和动力注两种形式，相辅相承地起作用，所以实用效果很好。但由于工作在低频段，所以噪音问题又限制了其在实际中的广泛应用，至今还未发现在换能激励器方面解决这个问题的实用技术。中国专利第90109948.1和第90223325.4号均公开了利用半波交流电产生工频振动的技术，但均属于单端输出，其激励器不易应用于激励液体产生振动，关键是不能在根本上解决噪音问题。另外，90223325.4号专利若广泛应用，还会造成市电正负半波不平衡的问题。
本发明的目的在于开发一种新的思想，主要针对声能清洗，利用现有成熟技术提供一种能自行抑制低频噪音、不使用高频电源、结构简单、造价低、无易损件、无超声辐射的低频振动激励装置，激发液体产生振动，使声能清洗等功率声能应用的领域或范围更广泛。
本发明是利用两只或两组在数量、结构及输出功率上一致，但在工作时振动相位上相差180°的电磁换能激励器，装置于清洗槽上构成一个换能激励系统，激发液体产生振动。因为这两只或两组激励器单元工作于推挽状态，故其中一只或一组单元向空间辐射的低频声波，被另一只或一组单元所辐射地反相声波抵消，从而实现了低噪音工作。
能实现上述推挽工作的换能激励单元和电源配置方案有两种，分别对应于不同的电源和换能激励器。
一种是采用工频交流电直接驱动带有永磁体的电磁式换能激励器单元，但两组或两只单元中的永磁体或由绕组和铁芯组成的电磁铁的磁极方向相反，使交流电正、负半周在驱动换能激励器时，实现“推”和“挽”的效果。
另一种使用整流元件，把交流电的正、负半周分开，分别输出正、负半波脉动直流电，分别驱动两只或两组单元。与此对应，换能激励器单元中无永磁体，而分别由正负脉动电源驱动，实现推挽工作。
本发明之所以采用电磁换能器，是因为工作频率只有几十赫兹。在这个频率下，电磁换能激励器具有最高的效率。
本发明有着低噪音、低造价、结构简单、无易损件、无有害辐射、清洗效果好的优点。在功率适当的情况下，本发明还可以应用于声能乳化和加速化学反应等的其它用途。
图1为使用正负半波脉动直流电源时的电原理图
图2为使用工频交流电时的电原理图
图3为振动系统安装原理结构图
图4为振动系统空间辐射声波的振幅--时间函数曲线
图5为电磁式振动换能器的原理结构图
图6为使用正负脉动直流电驱动的电磁换能激励器的结构图
图7为使用工频交流电驱动的电磁换能激励器的结构图
图8为振动系统的另一种结构形式。
下面结合附图来说明本发明的原理和实施方法。
在图1和图2中，C1n和C2n分别是结构和输出功率都一致的两组或两只电磁换能器，在振动系统中的安装方式见图3。它们与清洗槽[1]底部的铁磁质振膜[3]、[5]，波纹环簧[4]、[6]共同构成了换能激励系统。图1中的换能器磁路中无永磁体，而图2中的有永磁体。下面分别以C1n和C2n为两只单元为例，说明图1和图2电路的工作原理。
在图1中，C1n和C2n分别通过整流元件D1和D2接于交流电源上。由于D1和D2的整流，使C1n和C2n的驱动电源分别为正负脉动直流电源，即C1n和C2n分别工作于交流电的正负半波。设系统正常工作的某个瞬时，交流电源A端为正，B端为负，这时D1导通，C1n因有电流通过而产生磁力，吸引振膜[3]向下运动；而C2n因D2截止而失去电流，振膜[4]因无磁力而被释放，在波纹环簧[6]的作用下向上运动。当半周后电源极性改变，A正B负，情况正好相反，振膜[4]被吸引向下运动，而振膜[3]被释放，在波纹环簧[5]的作用下向上运动，与上面所述的方向正好相反。如此这样振动下去。由上面的分析可知，这两只单元的振动基频等于电源频率，而在相位上总是相差180°，即反相振动、
在图2中，C1n和C2n两只换能单元的磁路中如图7所示装有极性方向相同的永磁体，因此，当C1n和C2n的两个绕组的同名端方向相反地接到交流电源上后，由电工学的右手定则可知，无论是在交流电的正半周还是负半周，两个绕组所产生的磁场方向总是相反的。这两个磁场于永磁体的磁场相叠加，其结果是一个单元的总磁力被加强而另一个则被减弱。这样，图3中振膜[3]、[4]在波纹环簧[5]、[6]的弹力和C1n和C2n的磁力的共同作用下振动，其振动相位也是总相差180°，而振动的基频等于电源的频率。
在图1中，整流元件D1、D2可用单向可控硅，兼有调压，即调节换能器输出功率的作用；在图2中也可以在电源电路中串入双向可控硅来调节输出功率。这在使用中有时是必要的，因不同的液体或同一液体在不同的温度或压力下的空化阀值不同；且不同的工作所需的功率常常也不同。但若取得好的效果，最好用调压变压器。因为可控硅调压会使电压波形畸变，使振动系统产生大量高次谐波，影响降噪效果；还会干扰电网。同时，由于负载是感性元件，也必将使电路复杂化，故而未在图1、图2中给出可控硅及其附属电路。因为可控硅调压是成熟技术，所以可在实际应用中决定取舍。
图3中的隔板[7]的作用是减小近场声短路效应的影响，使槽内液体的振动均匀，其高度可使液体中声通路为等截面。若液体深度不大可省略。槽内液体的深度会对由振膜和弹簧所组成的受迫振动系统的固有频率和阻尼有影响，而不会影响系统的工作原理。
下面通过附图4来分析由振膜[3]、[4]辐射到空间的工频声波的情况。现假设振膜[3]、[4]的中心距离为0.2m：
声波波长λ＝声速/频率＝(340m/s)/(50/s)＝6.8m
声波周期T＝1/频率＝1/(50/s)＝0.02s＝20ms因振膜尺寸与波长相比非常小，故振膜可视为点声源，则声音传播0.2m所需时间为：
Δt＝T*(0.2/λ)＝0.588ms
在图4中，曲线[8]、[9]、[10]分别表示振膜[3]、[4]所发出的声波和它们的声波在空间相叠加后的振幅--时间函数。可见，曲线[10]的幅度比[8]、[9]都小得的多。计算的结果表明，在上述假设情况下，50Hz噪音可被衰减15dB左右。如果使用图7所示的换能器，按图8中的方案安装，噪音可进一步被衰减达26dB以上。图8中清洗槽底部的大圆角起着减缓液体动力注对槽壁冲击的作用。
以上讨论的是基波的问题，下面在看看谐波的情况。因为振动是反相的，所以如果两个换能振动单元的一致性好，则由振膜、槽体、液体的振动所产生的个次谐波也应反相，而也能大部分抵消；而且由于液体的粘性和声短路作用，个次谐波也较弱，更不会产生超声辐射。系统所产生的噪声泄漏可进一步用一般隔离吸收方式加以消除。
在工频段，现有的压电和磁致伸缩换能器的效率均不如电磁式的高，所以本发明中没有应用。关于电磁换能器，其结构已是千差万别，除本实施中所推荐的平板式之外，还有诸如穿心棒式、悬臂梁式，旋转轴式等等。尽管结构如此多样，但其基本工作原理和结构都是相同的，如图5所示，均主要由铁芯[11]、绕组[12]、弹性元件[13]、振动衔铁[14]、极靴[15]五个基本部分构成。其中铁芯[11]、极靴[15]若是由软磁性材料制成的，即为图6中的铁芯[16]，若极靴[15]是由硬磁性材料制成的，则为图7中的永磁体[22]，铁芯[11]则对应于图7中的铁芯[21]。其余部分可一一对应如下：绕组[12]相当于图6、7中的绕组[17]；弹性元件[13]对应于图6、7中的波纹环簧[18]；振动衔铁[14]相当于图6、7中的振膜[20]加衔铁[19]。
虽然电磁换能器的结构多种多样，但因为本实施中的结构具有振动元件和激励液体的振膜合二为一而省去中间振动传输结构，特别是有着无易损件的优点，结构最简，故其余种类的结构类型在此不作应用方法和振动传输结构的讨论和说明，而优先推荐本实施中的结构。图6、7中的衔铁的作用是为了进一步减小由铁芯、振膜、波纹环簧等所构成的磁路的磁阻，尽可能提高换能效率。需要说明的是，波纹环簧[17]的结构和形状，可根据其材质、厚度及所需的振幅来改变，甚至以环形板簧代替。在本实施中，波纹环簧[18]和振膜[20]由一块薄钢板冲压而成。
对于图6、7中的两种换能驱动器，在实际应用中，图7所示的带永磁体的换能器，因工作时振膜受力的对称性好，所以声波波形更接近正弦波，故降噪效果更好些，但其造价因使用永磁体而高些。
本实施中的清洗槽可使用不锈钢、低碳钢或高强度工程塑料或新型复合材料等材料制造。