專利名稱：超聲波工具頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械振動的發(fā)生或傳遞技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于超聲波振動傳遞的超聲波工具頭。
背景技術(shù)：
超聲波工具頭是超聲波設(shè)備的重要組成部件，其作用是將超聲波的振動能量傳遞到作用對象中去。超聲波工具頭的形狀一般為圓柱體、圓錐體或長方體等形狀，其工作面基本上為頂端的端面，考慮到實際的安裝使用，這類工具頭的工作面一般不大，因此輻射的能力相對比較集中，可以較好的應(yīng)用在超聲焊接、切割等超聲波傳統(tǒng)應(yīng)用方向上。但是，隨著科技的不斷進步，超聲波已不局限于傳統(tǒng)應(yīng)用，其在液體、氣體中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，如在乳化、分離、勻化、提取、消泡、清洗、液體霧化及加速化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用等。在這些應(yīng)用中，傳統(tǒng)的超聲波工具頭存在著以下兩點的不足第一，現(xiàn)有的超聲波工具頭均采用縱向振動的振動模式，這類工具頭的工作面和振動方向垂直，一般頭部端面振動幅度最大，側(cè)面幾乎沒有輻射，這極大的限制了超聲波工具頭的輻射面積。然而，超聲波在液體或氣體中的應(yīng)用，輻射面往往越大越好，輻射面越大，說明受到超聲作用的液體越多，作用效果就更明顯。其次，由于現(xiàn)有超聲波工具頭的輻射面單一，輻射聲能時有著極強的指向性，在容器中工作時，往往導(dǎo)致容器中的聲強極不均勻，即面向工具頭輻射面的聲強極強，而背向工具頭輻射面的聲強就很弱。一般超聲波在氣體或液體中的應(yīng)用，往往希望聲強越均勻越好，雖然目前通過設(shè)計上的改良已經(jīng)設(shè)計出一些多輻射面的超聲波工具頭，但其本質(zhì)依然是縱向振動，聲強均勻性依然不理想。從超聲波原理上說，大功率超聲波設(shè)備主要是通過縱向振動的方式實現(xiàn)能量的傳遞，雖然縱向振動聚能效果好，但輻射面單一，往往無法滿足對液體或氣體輻射超聲波的要求。若將縱向振動的輻射面擴大，其振動效率就會降低，一般縱向振動的輻射面直徑不大于該頻率下縱波波長的1/2。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有超聲波工具頭在液體或氣體的應(yīng)用中存在輻射面指向性單一、輻射面面積小和輻射聲強不均勻的問題，提供了一種輻射面面積大、輻射聲強均勻和具有曲面振動輻射功能的超聲波工具頭。為解決上述問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種超聲波工具頭，所述工具頭上設(shè)有用于連接超聲波換能器或變幅桿的安裝孔，所述超聲波工具頭為圓環(huán)體狀或類似圓環(huán)體狀的超聲波輻射頭，超聲波工具頭至少具有一采用彎曲振動方式輻射超聲波的第一圓環(huán)曲面。

相比較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的超聲波工具頭利用具有曲率的輻射曲面替代了單一的平面輻射面，大大了增加工具頭的輻射面積；同時，圓環(huán)狀或類似圓環(huán)狀工具頭的輻射面是采用類似圓環(huán)狀徑向輻射，因此在液體或氣體中的聲場均勻性更好；再次，輻射曲面采用彎曲振動方式，改變了振動的傳遞方向，使輻射聲強更加均勻，提高了工具頭使用的靈活性，可適用于一些截面為類似圓形面的超聲波焊接，也可作為一種變幅桿使用。優(yōu)選地，所述超聲波工具頭橫截面的形狀為圓環(huán)形、橢圓圓環(huán)形和扇環(huán)形中的一種。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可將超聲波工具頭設(shè)置成圓環(huán)體狀、橢圓圓環(huán)體狀或扇環(huán)體狀，均可達到本發(fā)明的技術(shù)效果。優(yōu)選地，所述第一圓環(huán)曲面為超聲波工具頭的內(nèi)側(cè)曲面或外側(cè)曲面。超聲波工具頭的內(nèi)側(cè)曲面向內(nèi)部輻射，滿足內(nèi)部輻射的需要，外側(cè)曲面向外周輻射，滿足外部輻射的需要，使工具頭的使用更加靈活方便。優(yōu)選地，所述超聲波工具頭具有用于輻射超聲波的第二圓環(huán)曲面，第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面分別為超聲波工具頭的內(nèi)側(cè)曲面和外側(cè)曲面。第一圓環(huán)曲面向內(nèi)部輻射，第二圓環(huán)曲面向外周輻射，大大增加了工具頭的輻射面積，非常適合于各種管道氣液體流通中超聲波輻射的應(yīng)用。優(yōu)選地，所述第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面均為采用彎曲振動方式輻射超聲波的超聲波輻射面，第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面的超聲波輻射頻率相同。彎曲振動方式使用，改變了振動的傳遞方向，提高工具頭使用的靈活性，同時使第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面的振動達到共振，增加了第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面的振動強度。優(yōu)選地，所述超聲波工具頭還具有用于輻射超聲波的第三圓環(huán)面和第四圓環(huán)面，第三圓環(huán)面和第四圓環(huán)面分別為超聲波工具頭的上圓環(huán)端面和下圓環(huán)端面。上圓環(huán)端面和下圓環(huán)端面上超聲波輻射的設(shè)計，使聲強的輻射具有三維的效果，進一步擴大了輻射面積，提高輻射的均勻性。優(yōu)選地，所述超聲波工具頭的曲面上設(shè)有多個用于安裝超聲波輻射頭或變幅桿的安裝孔。安裝孔的設(shè)計使超聲波工具頭可以與其它超聲波輻射頭或變幅桿連接，可以改變傳統(tǒng)的超聲波振動方向。


圖1是本發(fā)明超聲波工具頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明超聲波工具頭一種實施方式的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明超聲波工具頭另一種實施方式的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明超聲波工具頭在液體輸送管道中應(yīng)用的局部剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是圖5的截面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。參看圖1，本發(fā)明的超聲波工具頭呈圓環(huán)體狀或類似圓環(huán)體狀，超聲波工具頭包括上端面1、下端面2、內(nèi)側(cè)曲面4、外側(cè)曲面3和同時由上述面圍成的類似圓環(huán)體狀的實心超聲波輻射頭。超聲波工具頭的材料為普通常用的金屬材料，可以為鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鋁合金和銅中的一種。超聲波工具頭上設(shè)有用于連接超聲波換能器或變幅桿的安裝孔5，安裝孔5設(shè)有內(nèi)螺紋，用于通過螺栓與常規(guī)的超聲波換能器或變幅桿螺紋連接。本發(fā)明的超聲波工具頭依次與變幅桿、超聲波換能器和超聲波驅(qū)動電源相連接即形成一個完整的超聲波發(fā)射系統(tǒng)，其中，超聲波工具頭的激勵點設(shè)置在外側(cè)曲面3或內(nèi)側(cè)曲面4上，根據(jù)超聲波工具內(nèi)、外徑的不同，可選擇不同尺寸的常規(guī)超聲波換能器或變幅桿與之連接。參看圖2-4，超聲波工具頭橫截面的形狀為圓環(huán)形、橢圓圓環(huán)形和扇環(huán)形中的一種。參看圖1，橫截面為圓環(huán)形的超聲波工具頭，參看圖2，橫截面為橢圓圓環(huán)形的超聲波工具頭，參看圖3，橫截面為扇環(huán)形的超聲波工具頭，其中扇環(huán)形的弧可以為優(yōu)弧或劣弧，可根據(jù)實際應(yīng)用而定。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可將超聲波工具頭設(shè)置成圓環(huán)體狀、橢圓圓環(huán)體狀或扇環(huán)體狀，均可達到本發(fā)明的技術(shù)效果。超聲波工具頭的曲面上設(shè)有多個用于安裝超聲波輻射頭或變幅桿的安裝孔，安裝孔設(shè)計在超聲波工具頭的曲面上，使超聲波工具頭可以與其它超聲波輻射頭或變幅桿連接，可以改變傳統(tǒng)的超聲波振動方向，作為一種新的變幅桿使用。超聲波工具頭至少具有一采用彎曲振動方式輻射超聲波的第一圓環(huán)曲面，第一圓環(huán)曲面可以為超聲波工具頭的內(nèi)側(cè)曲面4或外側(cè)曲面3。同時可增設(shè)用于輻射超聲波的第二圓環(huán)曲面,此時,第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面分別為超聲波工具頭的內(nèi)側(cè)曲面4和外側(cè)曲面3。第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面均為采用彎曲振動方式輻射超聲波的超聲波輻射面，設(shè)置第一圓環(huán)曲面的超聲波發(fā)射頻率與第二圓環(huán)曲面的超聲波輻射頻率相同。根據(jù)需要，超聲波工具頭還具有用于輻射超聲波的第三圓環(huán)面和第四圓環(huán)面，第三圓環(huán)面和第四圓環(huán)面分別為超聲波工具頭的上圓環(huán)端面I和下圓環(huán)端面2。普通的超聲波換能器或變幅桿主要是作縱向振動，然而，根據(jù)超聲波理論，縱向振動可以激發(fā)出其它模式的振動頻率，比如說橫向振動、切向振動、扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動等等。一般情況下，這些振動模式的振幅很弱，對通常所需要的縱向振動影響很小，但是通過對工具頭的材料、尺寸及結(jié)合本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過超聲波換能器或變幅桿的縱向振動激發(fā)出其他振動模式，并使所需的振動模式的振動頻率與縱向振動的激勵頻率一致，便可激發(fā)和加強出所需要的振動方式。本發(fā)明使用超聲波縱向振動激發(fā)出工具頭徑向的彎曲振動，使得內(nèi)側(cè)曲面4和外側(cè)曲面3成為輻射面。同時，使工具頭彎曲振動的頻率和超聲波縱向振動的激發(fā)頻率一致，并有意識的加強這種彎曲振動，以達到一個共振的效果，從而使得工具頭的內(nèi)側(cè)曲面4及外側(cè)曲面3均產(chǎn)生強烈的超聲波振動。在振動時，第一圓環(huán)曲面向內(nèi)部輻射，第二圓環(huán)曲面向外周輻射，大大增加了工具頭的輻射面積。彎曲振動方式的使用，改變了振動的傳遞方向，提高工具頭使用的靈活性，同時使第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面的振動達到共振，增加了第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面的振動強度。本發(fā)明超聲波工具頭的輻射頻率范圍在IO-1OOkHz之間，在此頻率范圍內(nèi)，不同頻率超聲波工具頭的尺寸不相同，同時，為達到超聲波設(shè)備的工作條件，形成不同頻率的共振效果，超聲波工具頭的尺寸也會不同。從超聲波工具頭的選材角度看，由于金屬材料的特性不相同，如楊氏模量、泊松比、密度和抗疲勞強度等參數(shù)不同，也會導(dǎo)致工具頭尺寸的差異。因此，在設(shè)計本發(fā)明的超聲波工具頭時，根據(jù)輻射頻率的需要進行具體的尺寸設(shè)計。為達到共振的目的，對于確定材料、結(jié)構(gòu)和尺寸的工具頭，其共振頻率是單一的，因此對于不同的材料和尺寸，其各種振動模式和共振頻率均可以通過本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員嚴格計算得到，在此不再贅述。 參看圖5-6，本發(fā)明在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要應(yīng)用在液體輸送管道中，本發(fā)明超聲波工具頭6依次與變幅桿7、超聲波換能器8和超聲波驅(qū)動電源9相連接即形成一個完整的超聲波發(fā)射系統(tǒng)，超聲波發(fā)射系統(tǒng)中的變幅桿7通過法蘭10固定在管道11上。超聲波發(fā)射系統(tǒng)垂于管道11的長度方向，管道11中的液體沿管道方向流動。超聲波換能器8接收到超聲波驅(qū)動電源9的聞頻聞壓的電彳目號后廣生超聲振動，通過變幅桿7將振幅放大,最終傳輸?shù)匠暡üぞ哳^6上，超聲波工具頭6沿著圓環(huán)的徑向輻射超聲波，內(nèi)側(cè)曲面4向管道11中心輻射超聲波，外側(cè)曲面3向管道壁方向輻射超聲波。這種輻射方式大大提高了輻射面的面積，并使管道11的截面方向上的聲強更加均勻，使得所有流經(jīng)管道的液體都能接受到高強度超聲波的照射，從而達到處理目的。 上述說明中，凡未加特別說明的，均采用現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種超聲波工具頭，所述工具頭上設(shè)有用于連接超聲波換能器或變幅桿的安裝孔，其特征在于，所述超聲波工具頭為圓環(huán)體狀或類似圓環(huán)體狀的超聲波輻射頭，超聲波工具頭至少具有一采用彎曲振動方式輻射超聲波的第一圓環(huán)曲面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述超聲波工具頭橫截面的形狀為圓環(huán)形、橢圓圓環(huán)形和扇環(huán)形中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述第一圓環(huán)曲面為超聲波工具頭的內(nèi)側(cè)曲面或外側(cè)曲面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述超聲波工具頭具有用于輻射超聲波的第二圓環(huán)曲面，第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面分別為超聲波工具頭的內(nèi)側(cè)曲面和外側(cè)曲面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面均為采用彎曲振動方式輻射超聲波的超聲波輻射面，第一圓環(huán)曲面和第二圓環(huán)曲面的超聲波輻射頻率相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述超聲波工具頭還具有用于輻射超聲波的第三圓環(huán)面和第四圓環(huán)面，第三圓環(huán)面和第四圓環(huán)面分別為超聲波工具頭的上圓環(huán)端面和下圓環(huán)端面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波工具頭，其特征在于，所述超聲波工具頭的曲面上設(shè)有多個用于安裝超聲波輻射頭或變幅桿的安裝孔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波工具頭，所述工具頭上設(shè)有用于連接超聲波換能器或變幅桿的安裝孔，所述超聲波工具頭為圓環(huán)體狀或類似圓環(huán)體狀的超聲波輻射頭，超聲波工具頭至少具有一采用彎曲振動方式輻射超聲波的第一圓環(huán)曲面。本發(fā)明利用具有曲率的輻射曲面替代了單一的平面輻射面，大大增加工具頭的輻射面積；同時，圓環(huán)狀或類似圓環(huán)狀工具頭的輻射面是采用類似圓環(huán)狀徑向輻射，因此在液體或氣體中的聲場均勻性更好；再次，輻射曲面采用彎曲振動方式，改變了振動的傳遞方向，使輻射聲強更加均勻，提高了工具頭使用的靈活性，可適用于一些截面為類似圓形面的超聲波焊接，也可作為一種變幅桿使用。
文檔編號B06B1/02GK103028540SQ20121053886
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者陳元平, 華大成, 陳川, 許盼 申請人:杭州成功超聲設(shè)備有限公司