专利名称：超声波工具头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械振动的发生或传递技术领域，尤其涉及一种用于超声波振动传递的超声波工具头。
背景技术：
超声波工具头是超声波设备的重要组成部件，其作用是将超声波的振动能量传递到作用对象中去。超声波工具头的形状一般为圆柱体、圆锥体或长方体等形状，其工作面基本上为顶端的端面，考虑到实际的安装使用，这类工具头的工作面一般不大，因此辐射的能力相对比较集中，可以较好的应用在超声焊接、切割等超声波传统应用方向上。但是，随着科技的不断进步，超声波已不局限于传统应用，其在液体、气体中的应用已经越来越广泛，如在乳化、分离、匀化、提取、消泡、清洗、液体雾化及加速化学反应中的应用等。在这些应用中，传统的超声波工具头存在着以下两点的不足:第一，现有的超声波工具头均采用纵向振动的振动模式，这类工具头的工作面和振动方向垂直，一般头部端面振动幅度最大，侧面几乎没有辐射，这极大的限制了超声波工具头的辐射面积。然而，超声波在液体或气体中的应用，辐射面往往越大越好，辐射面越大，说明受到超声作用的液体越多，作用效果就更明显。其次，由于现有超声波工具头的辐射面单一，辐射声能时有着极强的指向性，在容器中工作时，往往导致容器中的声强极不均匀，即面向工具头辐射面的声强极强，而背向工具头辐射面的声强就很弱。一般超声波在气体或液体中的应用，往往希望声强越均匀越好，虽然目前通过设计上的改良已经设计出一些多辐射面的超声波工具头，但其本质依然是纵向振动，声强均匀性依然不理想。从超声波原理上说，大功率超声波设备主要是通过纵向振动的方式实现能量的传递，虽然纵向振动聚能效果好，但辐射面单一，往往无法满足对液体或气体辐射超声波的要求。若将纵向振动的辐射面扩 大，其振动效率就会降低，一般纵向振动的辐射面直径不大于该频率下纵波波长的1/2。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是针对现有超声波工具头在液体或气体的应用中存在辐射面指向性单一、辐射面面积小和辐射声强不均匀的问题，提供了一种辐射面面积大、辐射声强均匀和具有曲面振动辐射功能的超声波工具头。为解决上述问题，本实用新型的技术方案是:一种超声波工具头，所述工具头上设有用于连接超声波换能器或变幅杆的安装孔，所述超声波工具头为圆环体状或类似圆环体状的超声波辐射头，超声波工具头至少具有一采用弯曲振动方式辐射超声波的第一圆环曲面。相比较于现有技术，本实用新型的超声波工具头利用具有曲率的辐射曲面替代了单一的平面辐射面，大大了增加工具头的辐射面积；同时，圆环状或类似圆环状工具头的辐射面是采用类似圆环状径向辐射，因此在液体或气体中的声场均匀性更好；再次，辐射曲面采用弯曲振动方式，改变了振动的传递方向，使辐射声强更加均匀，提高了工具头使用的灵活性，可适用于一些截面为类似圆形面的超声波焊接，也可作为一种变幅杆使用。优选地，所述超声波工具头横截面的形状为圆环形、椭圆圆环形和扇环形中的一种。根据不同的应用要求，可将超声波工具头设置成圆环体状、椭圆圆环体状或扇环体状，均可达到本实用新型的技术效果。优选地，所述第一圆环曲面为超声波工具头的内侧曲面或外侧曲面。超声波工具头的内侧曲面向内部辐射，满足内部辐射的需要，外侧曲面向外周辐射，满足外部辐射的需要，使工具头的使用更加灵活方便。优选地，所述超声波工具头具有用于辐射超声波的第二圆环曲面，第一圆环曲面和第二圆环曲面分别为超声波工具头的内侧曲面和外侧曲面。第一圆环曲面向内部辐射，第二圆环曲面向外周辐射，大大增加了工具头的辐射面积，非常适合于各种管道气液体流通中超声波辐射的应用。优选地，所述第一圆环曲面和第二圆环曲面均为采用弯曲振动方式辐射超声波的超声波辐射面，第一圆环曲面和第二圆环曲面的超声波辐射频率相同。弯曲振动方式使用，改变了振动的传递方向，提高工具头使用的灵活性，同时使第一圆环曲面和第二圆环曲面的振动达到共振，增加了第一圆环曲面和第二圆环曲面的振动强度。优选地，所述超声波工具头还具有用于辐射超声波的第三圆环面和第四圆环面，第三圆环面和第四圆环面分别为超声波工具头的上圆环端面和下圆环端面。上圆环端面和下圆环端面上超声波辐射的设计，使声强的辐射具有三维的效果，进一步扩大了辐射面积，提高辐射的均匀性。优选地，所述超声波工具头的曲面上设有多个用于安装超声波辐射头或变幅杆的安装孔。安装孔的设计使超声波工具头可以与其它超声波辐射头或变幅杆连接，可以改变传统的超声波振动方向。
图1是本实用新型超声波工具头的立体结构示意图。图2是图1的横截面结构示意图。图3是本实用新型超声波工具头一种实施方式的横截面结构示意图。图4是本实用新型超声波工具头另一种实施方式的横截面结构示意图。图5是本实用新型超声波工具头在液体输送管道中应用的局部剖视结构示意图。图6是图5的截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进一步详细说明本实用新型，但本实用新型的保护范围并不限于此。参看图1，本实用新型的超声波工具头呈圆环体状或类似圆环体状，超声波工具头包括上端面1、下端面2、内侧曲面4、外侧曲面3和同时由上述面围成的类似圆环体状的实心超声波辐射头。超声波工具头的材料为普通常用的金属材料，可以为钛合金、合金钢、不锈钢、铝合金和铜中的一种。超声波工具头上设有用于连接超声波换能器或变幅杆的安装孔5，安装孔5设有内螺纹，用于通过螺栓与常规的超声波换能器或变幅杆螺纹连接。本实用新型的超声波工具头依次与变幅杆、超声波换能器和超声波驱动电源相连接即形成一个完整的超声波发射系统，其中，超声波工具头的激励点设置在外侧曲面3或内侧曲面4上，根据超声波工具内、外径的不同，可选择不同尺寸的常规超声波换能器或变幅杆与之连接。参看图2-4，超声波工具头横截面的形状为圆环形、椭圆圆环形和扇环形中的一种。参看图1，横截面为圆环形的超声波工具头，参看图2，横截面为椭圆圆环形的超声波工具头，参看图3，横截面为扇环形的超声波工具头，其中扇环形的弧可以为优弧或劣弧，可根据实际应用而定。根据不同的应用要求，可将超声波工具头设置成圆环体状、椭圆圆环体状或扇环体状，均可达到本实用新型的技术效果。超声波工具头的曲面上设有多个用于安装超声波辐射头或变幅杆的安装孔，安装孔设计在超声波工具头的曲面上，使超声波工具头可以与其它超声波辐射头或变幅杆连接，可以改变传统的超声波振动方向，作为一种新的变幅杆使用。超声波工具头至少具有一采用弯曲振动方式辐射超声波的第一圆环曲面，第一圆环曲面可以为超声波工具头的内侧曲面4或外侧曲面3。同时可增设用于辐射超声波的第二圆环曲面,此时,第一圆环曲面和第二圆环曲面分别为超声波工具头的内侧曲面4和外侧曲面3。第一圆环曲面和第二圆环曲面均为采用弯曲振动方式辐射超声波的超声波辐射面，设置第一圆环曲面的超声波发射频率与第二圆环曲面的超声波辐射频率相同。根据需要，超声波工具头还具有用于辐射超声波的第三圆环面和第四圆环面，第三圆环面和第四圆环面分别为超声波工具头的上圆环端面I和下圆环端面2。普通的超声波换能器或变幅杆主要是作纵向振动，然而，根据超声波理论，纵向振动可以激发出其它模式的振动频率，比如说横向振动、切向振动、扭转振动和弯曲振动等等。一般情况下，这些振动模式的振幅很弱，对通常所需要的纵向振动影响很小，但是通过对工具头的材料、尺寸及结合本实用新型的结构设计，通过超声波换能器或变幅杆的纵向振动激发出其他振动模式，并使所需的振动模式的振动频率与纵向振动的激励频率一致，便可激发和加强出所需要的振动方式。本实用新型使用超声波纵向振动激发出工具头径向的弯曲振动，使得内侧曲面4和外侧曲面3成为辐射面。同时，使工具头弯曲振动的频率和超声波纵向振动的激发频率一致，并有意识的加强这种弯曲振动，以达到一个共振的效果，从而使得工具头的内侧曲面4及外侧曲面3均产生强烈的超声波振动。在振动时，第一圆环曲面向内部辐射，第二圆环曲面向外周辐射，大大增加了工具头的辐射面积。弯曲振动方式的使用，改变了振动的传递方向，提高工具头使用的灵活性，同时使第一圆环曲面和第二圆环曲面的振动达到共振，增加了第一圆环曲面和第二圆环曲面的振动强度。本实用新型超声波工具头的辐射频率范围在IO-1OOkHz之间，在此频率范围内，不同频率超声波工具头的尺寸不相同，同时，为达到超声波设备的工作条件，形成不同频率的共振效果，超声波工具头的尺寸也会不同。从超声波工具头的选材角度看，由于金属材料的特性不相同，如杨氏模量、泊松比、密度和抗疲劳强度等参数不同，也会导致工具头尺寸的差异。因此，在设计本实用新型的超声波工具头时，根据辐射频率的需要进行具体的尺寸设计。为达到共振的目的，对于确定材料、结构和尺寸的工具头，其共振频率是单一的，因此对于不同的材料和尺寸，其各种振动模式和共振频率均可以通过本技术领域的技术人员严格计算得到，在此不再赘述。参看图5-6，本实用新型在化学领域的应用，主要应用在液体输送管道中，本实用新型超声波工具头6依次与变幅杆7、超声波换能器8和超声波驱动电源9相连接即形成一个完整的超声波发射系统，超声波发射系统中的变幅杆7通过法兰10固定在管道11上。超声波发射系统垂于管道11的长度方向，管道11中的液体沿管道方向流动。超声波换能器8接收到超声波驱动电源9的高频高压的电信号后产生超声振动，通过变幅杆7将振幅放大，最终传输到超声波工具头6上，超声波工具头6沿着圆环的径向辐射超声波，内侧曲面4向管道11中心辐射超声波,外侧曲面3向管道壁方向辐射超声波。这种辐射方式大大提高了辐射面的面积，并使管道11的截面方向上的声强更加均匀，使得所有流经管道的液体都能接受到高强度超声波的照射，从而达到处理目的。上述说明中，凡未加特别说明的，均采用现有技术中的常规结构。
权利要求1.一种超声波工具头，所述工具头上设有用于连接超声波换能器或变幅杆的安装孔，其特征在于，所述超声波工具头为圆环体状或类似圆环体状的超声波辐射头，超声波工具头至少具有一采用弯曲振动方式辐射超声波的第一圆环曲面。
2.根据权利要求1所述的超声波工具头，其特征在于，所述超声波工具头横截面的形状为圆环形、椭圆圆环形和扇环形中的一种。
3.根据权利要求1所述的超声波工具头，其特征在于，所述第一圆环曲面为超声波工具头的内侧曲面或外侧曲面。
4.根据权利要求1所述的超声波工具头，其特征在于，所述超声波工具头具有用于辐射超声波的第二圆环曲面，第一圆环曲面和第二圆环曲面分别为超声波工具头的内侧曲面和外侧曲面。
5.根据权利要求4所述的超声波工具头，其特征在于，所述第一圆环曲面和第二圆环曲面均为采用弯曲振动方式辐射超声波的超声波辐射面，第一圆环曲面和第二圆环曲面的超声波辐射频率相同。
6.根据权利要求1所述的超声波工具头，其特征在于，所述超声波工具头还具有用于辐射超声波的第三圆环面和第四圆环面，第三圆环面和第四圆环面分别为超声波工具头的上圆环端面和下圆环端面。
7.根据权利要求1所述的超声波工具头，其特征在于，所述超声波工具头的曲面上设有多个用于安装超声波辐射头或变幅杆的安装孔。
专利摘要本实用新型涉及一种超声波工具头，所述工具头上设有用于连接超声波换能器或变幅杆的安装孔，所述超声波工具头为圆环体状或类似圆环体状的超声波辐射头，超声波工具头至少具有一采用弯曲振动方式辐射超声波的第一圆环曲面。本实用新型利用具有曲率的辐射曲面替代了单一的平面辐射面，大大了增加工具头的辐射面积；同时，圆环状或类似圆环状工具头的辐射面是采用类似圆环状径向辐射，因此在液体或气体中的声场均匀性更好；再次，辐射曲面采用弯曲振动方式，改变了振动的传递方向，使辐射声强更加均匀，提高了工具头使用的灵活性，可适用于一些截面为类似圆形面的超声波焊接，也可作为一种变幅杆使用。
文档编号B06B3/00GK203018298SQ20122068841
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者陈元平, 华大成, 陈川, 许盼 申请人:杭州成功超声设备有限公司