CN102879044A - 超声波换能器壳体结构 - Google Patents
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Abstract
一种超声波换能器壳体结构,壳体为圆柱体,两端为内凹的开放端,并设有中心孔,其特征在于,壳体为台阶式圆柱体;在壳体的中部,设置有至少由一组自阻尼板,自阻尼板与外壳为同一材料一体加工而成;自阻尼板与其两侧的壳体之间有间隙。自阻尼板为2~3组;自阻尼板的外形为圆片形,或自阻尼板的两侧表面为波纹形,或自阻尼板的两侧为凹面形。对于发射换能器而言,其自阻尼板的作用是减少,甚至消除外传干扰信号,使之不能传播或少传播出去,对于接收换能器而言,其自阻尼板的作用是减少,甚至消除剩余的外传干扰信号和随机干扰信号,使之不能传播或少传播到接收振动子组件上。
Description
技术领域
本发明是超声波换能器用的壳体,特别涉及对其结构的改进。
背景技术
现在的(气体)超声波流量计,最关键的部件为超声波换能器。其具体工作情况是,当振动子在激励电压激励下,作前后振动运动,并向前产生有用信号和向后产生外传干扰信号(也称有害信号)。该有害信号会传递给与其相连接的发射换能器外壳,再传递到测量管上,然后再随测量管传递到另一对应的接受换能器外壳上,再传递到接受振动子组件上。
声波能量在气体中传播的速度大约为300~600m/s,而在金属中传播的速度大约为3000~6000m/s。有用信号Vo的传播路径是发射换能器和接受换能器之间的直线距离L1,其途径的介质为测量管中的被测气体;外传干扰信号V1的传播路径是发射换能器和接受换能器之间金属连接的距离L2(大约为2倍的L1)其途径的介质均为金属。所以在有用信号Vo到达接受换能器P002时,外传干扰信号V1早已达到接受换能器,并已引起接受换能器 中接受振动子组件的振动;同时声波能量在气体中衰减率是以几何倍数来衰减的,而声波能量在金属中的衰减率是以算术值来衰减的。也就是说,有害信号(外传干扰信号)不仅比有用信号早到,而且信号强度也要大的多。
另外,管线受外界敲击振动等会引起随机内传干扰信号,同时也随机的加在接受换能器上,因此在有用信号和外传干扰信号、内传干扰信号合成后的信号中,将很难辨认出有用信号。
目前,解决外传干扰信号和内传干扰信号的主要方法是,在换能器的壳体中中,充填一酒杯型的橡胶衬里。该酒杯型橡胶衬里是一种吸振材料。这种结构的超声波换能器壳体,一方面可以降低外传干扰信号内传干扰信号,但同时也会吸收振动子组件在振动时的振动能量,降低了振动效果,减小了有用信号的强度,进而造成到测量数据的准确率降低。
发明内容
鉴于上述已有技术存在的缺点,本发明提供一种改进的超声波换能器壳体结构。
一种超声波换能器壳体结构,壳体为圆柱体,两端为内凹的开放端,并设有中心孔,其特征在于,壳体为台阶式圆柱体;在壳体的中部,设置有至少由一组自阻尼板,自阻尼板与外壳为同一材料一体加工而成;自阻尼板与其两侧的壳体之间有间隙。
本发明是采用一种与换能器外壳同材料一体加工的自阻尼板的方法,来解决V1(外传干扰信号)和V2(内传干扰信号)的问题。
本发明的工作原理:换能器在发射情况下,振动子组件在激励电压激励下,作前后振动运动,并向前产生有用信号和向后产生有害信号(外传干扰信号)。由于周围没有吸振材料,所以,其向前的有用信号不会被吸收,而是全部发射出去,射入被测介质中(气体或液体);途径被测介质后,到达另一端的换能器中;与此同时,由于发射振动子组件作前后振动运动时,同时产生向后的有害信号(外传干扰信号),该信号途径换能器外壳的自阻尼板时,其声波能量将使自阻尼板发生振动(摆动),这种振动(摆动)运动,将大量消耗(吸收)外传干扰信号的能量,产生消振效果,从而达到减少,甚至消除外传干扰信号的目的。
同时,当管线受外界敲击振动等引起的随机干扰信号即内传干扰信号时,该随机干扰信号也将沿着外传干扰信号的逆向路径,通过换能器外壳的自阻尼板到达振动子组件。同理,内传干扰信号也将在自阻尼板中被大量消耗(吸收),只有很少的到达换能器中的振动子组件。
对于发射换能器而言,其自阻尼板的作用是减少,甚至消除外传干扰信号,使之不能传播或少传播出去,
对于接收换能器而言,其自阻尼板的作用是减少,甚至消除剩余的外传干扰信号和随机干扰信号,使之不能传播或少传播到接收振动子组件上。
自阻尼板的消振效果与下列因素有关:
1:自阻尼板的片数越多,其消耗(吸收)的外传干扰信号和内传干扰信号能量就越多,消振效果就越好,但太多的片数,虽然消振效果好,不过其加工和成本又是新的问题,经过大量的实验和计算,自阻尼板的片数以2到3片即可。
: 2:自阻尼板的内、外径比=d/D,d/D值越小,消振效果就越好,太小不易加工,且容易发生断裂,所以以d/D=0.3~0.4之间为好。
3、自阻尼板的径厚比=d/h, d/h值越大,消振效果就越好,但太大不易加工,且容易发生断裂,所以以d/h=3~4之间为好。
4、自阻尼板的形状可以有多种,即自阻尼板的外形为圆片形,或自阻尼板的两侧表面为波纹形,或自阻尼板的两侧为凹面形。
附图说明
附图1是本发明结构示意图。
附图2是平板自阻尼板结构示意图。
附图3是波纹自阻尼板结构示意图。
附图4是凹面自阻尼板结构示意图。
附图5是图2的A-A剖面左视图。
附图6是本发明在超声波换能器使用状态结构示意图。
1壳体、2自阻尼板、21平板自阻尼板、22波纹自阻尼板、23凹面自阻尼板、3超声波换能器。
具体实施方式
实施例1
一种超声波换能器壳体结构,壳体为圆柱体,两端为内凹的开放端,并设有中心孔;壳体为台阶式圆柱体;在壳体的中部,设置有2组自阻尼板,自阻尼板与外壳为同一材料一体加工而成;自阻尼板与其两侧的壳体之间有间隙。自阻尼板采用平板自阻尼板,即自阻尼板的外形为圆片形。
自阻尼板的内径d与外径的比值=d/D=0.3~0.4;自阻尼板的内径d与板厚h的径厚比=d/h=3~4;自阻尼板之间的间隙δ为3倍板厚h。
实施例2
一种超声波换能器壳体结构,采用波纹自阻尼板,即自阻尼板的两侧表面为波纹形,所述的波纹形自阻尼板,波纹比h / H1 =1.5~2;波纹率为n /(D-d);
d为阻尼板的内径;
D为阻尼板的外径;
h为波纹形自阻尼板厚度;
H1为板厚度与两侧波纹厚度之和;
N为波纹个数。
波纹可增加声波能量的吸收,从而提高阻止声波能量外传的能力,和提高阻止干扰信号内传的能力。
其他结构同实施例1。
实施例3
一种超声波换能器壳体结构,采用凹面自阻尼板,即自阻尼板的两侧为凹面形。
所述的凹面形自阻尼板凹面的曲率半径ρ=50~200。以增加声波能量的吸收,从而提高阻止声波能量外传的能力,和提高阻止干扰信号内传的能力
其他结构同实施例1。
Claims (5)
1. 一种超声波换能器壳体结构,壳体为圆柱体,两端为内凹的开放端,并设有中心孔,其特征在于,壳体为台阶式圆柱体;在壳体的中部,设置有至少由一组自阻尼板,自阻尼板与外壳为同一材料一体加工而成;自阻尼板与其两侧的壳体之间有间隙。
2.按照权利要求1所述的超声波换能器壳体结构,其特征在于,自阻尼板为2~3组;自阻尼板的外形为圆片形,或自阻尼板的两侧表面为波纹形,或自阻尼板的两侧为凹面形。
3.按照权利要求1或2所述的超声波换能器壳体结构,其特征在于,自阻尼板的内径d与外径的比值=d/D=0.3~0.4;自阻尼板的内径d与板厚h的径厚比=d/h=3~4;自阻尼板间隙δ为3倍板厚h。
4.按照权利要求3所述的超声波换能器壳体结构,其特征在于,所述的波纹形自阻尼板,波纹比h/H1=1.5~2;波纹率n /(D-d);
d为阻尼板的内径;
D为阻尼板的外径;
h为波纹形自阻尼板厚度;
H1为板厚度与两侧波纹厚度之和;
N为波纹个数。
5.按照权利要求3所述的超声波换能器壳体结构,其特征在于,所述的凹面形自阻尼板凹面的曲率半径ρ=50~200。
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