超声换能器前盖板材料的选择与声场分析*

□ 吴思楠 □ 傅 波 □ 刘 宇 □ 林 波

四川大学制造科学与工程学院 成都610065

超声清洗是功率超声应用的主要方向之一，在超声清洗时，电源提供的电能通过换能器转变为所需要的超声振动并传到清洗液中。一方面，超声振动致使清洗液中产生局部负压区而形成空化气泡，这种气泡非常不稳定，在某种干扰作用下会猛然闭合，在局部产生很大压强，产生空化效应，空化作用将工件表面的污渍拉扯下来并粉碎；另一方面，清洗液内的高频率振动会加速污渍与清洗液的化学反应。影响清洗效果的声学参数主要有声强、频率、声场分布。声强越强，空化越明显，但是声强达到一定程度后空化趋于饱和，继续增大反而降低了空化效应，通常用液体中的声压间接地反应声强的大小。频率越高，产生空化所需的声强越大，因此，频率越低，空化越容易产生，空化越强烈，但是低频不容易穿透深孔，且噪声较大，超声清洗的频率范围大多选择在20～50 kHz之间［1］。合理的声场分布会使零件表面清洗更加均匀。笔者基于有限元仿真软件COMSOL分析28 kHz频率下前盖板金属材料对换能器声压及其分布的影响，为超声清洗换能器的优化设计提供参考。

1 前后盖板材料选择原则

换能器前盖板的作用，一方面是将换能器产生的绝大部分能量从它的纵向前表面高效地辐射出去。另一方面，前盖板实际上也充当一个阻抗变换器，它能够将负载阻抗加以变换以保证压电陶瓷元件所需的阻抗，从而提高换能器的发射效率，保证一定的频带宽度。……