超聲霧化器設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

3.1引言

超聲霧化器主要作用是將供液裝置提供霧化液霧化，以滿(mǎn)足各種不一樣應(yīng)

用。常見(jiàn)霧化方式有噴嘴機(jī)械霧化和壓電超聲霧化兩種。傳統(tǒng)機(jī)械式霧化方法分

為壓力噴射式霧化和轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)霧化。壓力噴射式霧化是霧化液在霧化器壓力

作用下具備一定動(dòng)能，在高速旋轉(zhuǎn)中噴出噴孔，在離心力、噴孔反作用力等力作

用下，克服霧化液表面張力和粘性力，碎裂成霧粒；轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)霧化是霧化液

以細(xì)流經(jīng)管道進(jìn)入安裝在空心軸上霧化轉(zhuǎn)杯內(nèi)，在高速旋轉(zhuǎn)霧化杯離心力作用

下，緊貼在霧化杯壁面，形成液膜伴隨轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)，并不停向杯口移動(dòng)直至甩

出裂解成細(xì)小成曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)霧粒。壓電超聲霧化有低頻大功率超聲霧化和高頻微細(xì)

霧化。艇釋超聲霧化機(jī)理理論主要有表面張力波理論和微激波理論。高頻建聲微

細(xì)霧化在空氣霧化加濕、超聲霧化美容、藥劑霧化吸入治療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。低

頻大功率超聲霧化主要應(yīng)用在生物與農(nóng)業(yè)工程中、設(shè)施農(nóng)業(yè)植物盆栽培養(yǎng)方面，

應(yīng)用范圍仍在不停擴(kuò)展。

低頻大功率超聲霧化不但具備汽霧分布均勻，汽霧粒咎小，霧化液速度低等

高頻超聲霧化器優(yōu)點(diǎn)，而且霧化量較大，霧粒初速度高等機(jī)械壓力噴嘴優(yōu)點(diǎn)，比

較適合精密超精密磨削冷卻應(yīng)用。低頻超聲霧化器動(dòng)力由夾心式大功率壓電超聲

換能器提供，其設(shè)計(jì)基于聲波在彈性介質(zhì)中一維專(zhuān)輸理論及相關(guān)設(shè)計(jì)理論并結(jié)合

有限元分析，確定超聲霧化器結(jié)構(gòu)參數(shù)。依照納米汽霧聚焦超聲冷卻系統(tǒng)要求,

超聲霧化器采取了二次霧化技術(shù)，以深入細(xì)化霧粒。

超聲霧化器霧化性能試驗(yàn)主要包含最大汽霧流量，汽霧粒徑等。汽霧霧粒粒

徑之間是不一樣，通慣用霧粒平均粒徑來(lái)表示，溝想一個(gè)液滴尺寸完全均勻一致

噴霧場(chǎng)以代替實(shí)際不均勻噴霧場(chǎng)，這個(gè)假想均勻噴霧場(chǎng)液滴直徑稱(chēng)為平均直徑

[55]o幾個(gè)不一樣平均粒徑表示方法應(yīng)用領(lǐng)域如表3-1所表示。

表3T平均粒徑表示方法應(yīng)用領(lǐng)域

平均粒長(zhǎng)度表面積體積索特粒徑徑類(lèi)型

D..DdNMD2dNi/2%、D3dNi/3p?“xD3dN公式DioIXiinIKat

I)

dN32DsmxD2dN

dN

用途比較表面控制流體流動(dòng)質(zhì)量運(yùn)輸，燃燒反應(yīng)

超聲霧化器設(shè)計(jì)，及對(duì)設(shè)計(jì)超聲霧化器阻抗特征、振動(dòng)特征、霧化性能(粒

徑、最大流量等)等霧化器性能試驗(yàn)研究，得到清振頻率、輸入功率及其它相關(guān)

參數(shù)對(duì)霧化性能影響，為納米汽霧聚焦超聲冷卻系統(tǒng)研制奠定基礎(chǔ)。

3.2超聲霧化器設(shè)計(jì)

因?yàn)楸菊n題所需霧化器霧粒粒徑較小，依照式(1-11)知，超聲霧化器諧振

頻率需要較高。以2CTC水為例，表面張力系數(shù)T=7.28X10-2N/m,水密度P

=1.0X103kg/iri3,對(duì)應(yīng)超聲振動(dòng)頻率(F)與對(duì)應(yīng)索特粒徑(D)關(guān)系如表3-2所

表示。超聲霧化器霧化能量主要由換能器縱向振動(dòng)提供，為了得到換能器很好縱

振模態(tài)，換能器徑向尺寸要小于換能器材料縱波波長(zhǎng)1/4,所以，換能器頻率越

高，其徑向尺寸就越小，同時(shí)意味著換能器最大功率容量減小，換能器輸出能量

減小，致使霧化器霧化量降低。

表3-2超聲頻率F與對(duì)應(yīng)索特直徑D

超聲頻率F(KHz)2050100100010000

索特粒徑D(um)56.430.619.34.20.89

精密磨削區(qū)熱源每秒鐘發(fā)燒量在通常磨削用量下都在4187J以下,水比熱容和

汽化熱都很高，在室溫條件下1mL水變成10CTC以上水蒸氣最少能帶走2512J熱

量；據(jù)此推測(cè)，每秒時(shí)間有1.8磯冷卻水進(jìn)入磨削區(qū)，絕大部分熱量將被帶走，實(shí)

現(xiàn)磨削區(qū)有效冷卻。考慮到水變成汽霧后表面積大大增加，氣化速度快，單位時(shí)間

內(nèi)吸熱多，降溫快，每秒有1mL水霧進(jìn)入磨削區(qū)即可實(shí)現(xiàn)冷卻。

超聲霧化器設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮霧化量和汽霧粒徑兩方面要求，但因?yàn)殪F化量

和汽霧粒徑之間關(guān)系，二者極難同時(shí)兼顧。本課題作為一個(gè)探索性設(shè)計(jì)，需要對(duì)

霧化器輸入功率、霧粒分布，霧化量、粒徑等之間關(guān)系做初步研究，超聲霧化器

諧振頻率選取55KHz,對(duì)應(yīng)霧粒索特直徑為28.79m。

超聲本課題所設(shè)計(jì)超聲霧化器主要由換能器和變幅桿兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如

圖3T所表示。超聲霧化器霧化量與霧化面振幅親密相關(guān)，在輸入功率一定情況

下，前后蓋板材料、變幅桿形狀等對(duì)換能器前后旅速比有很大影響。在功率超聲

領(lǐng)域，夾心式壓電陶瓷換能器壓電晶片主要是實(shí)現(xiàn)大功率及高效率能量轉(zhuǎn)換〔56〕，

所以，應(yīng)選擇機(jī)械及介電損耗較低而壓電常數(shù)和機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)較高陶瓷材料，通

常選取發(fā)射型大功率材料，如PZT-4、PZT-8等。為了取得較大前后振速比，換

能器前蓋板材料通常選取鋁合金、鋁鎂合金和鈦合金等，后蓋板基本上選取一些

重金屬，如45號(hào)鋼、40Cr銅等[57],同時(shí)這么選擇還能使能量最小程度地從換能

器后表面輻射，從而提升換能器前向輻射效率，增大聲場(chǎng)聲輻射壓力，提升聲場(chǎng)

對(duì)霧化器生成霧粒聲作用。本課題試驗(yàn)所設(shè)計(jì)換能器前蓋板材料選取硬鋁12,后

蓋板材料選取40Cr鋼。

1.后蓋板2.PZT-8陶瓷片3.法蘭4.前蓋板5.變幅桿6.霧化面7.反射頭

圖37超聲霧化器結(jié)構(gòu)圖

變幅桿主要起振幅放大和聚能作用[58],常見(jiàn)形狀有指數(shù)型、圓錐型、懸鏈線(xiàn)

型和階梯型四種。為實(shí)現(xiàn)變幅桿和換能器之間匹配，變幅桿材料也選取硬鋁12,

換能器各部分材料如表3-3所表示。依照霧化需要，壓力波振幅最少應(yīng)放大6?8

倍，噴嘴出口端振動(dòng)振幅最起碼應(yīng)有幾個(gè)微米［59］。所以，變幅桿需要較高放大系

數(shù)Mp,同時(shí)因?yàn)殪F化器負(fù)載改變小，又無(wú)靜壓力，對(duì)輸入阻抗特征要求不高，所

以，霧化器變幅桿選取階梯型變幅桿較適宜。

表3-3超聲霧化器各部分材料

后蓋板壓電陶瓷片前蓋板變幅桿

40CrPZT-8硬鋁12硬鋁12

超聲霧化器是由平波長(zhǎng)換能器和半波長(zhǎng)變幅桿組成全波長(zhǎng)夾心式縱振振子，共

2個(gè)節(jié)面，一個(gè)節(jié)面在法蘭處；為了減小進(jìn)水孔對(duì)霧化器影響，另一個(gè)節(jié)面在進(jìn)水

孔中心處。超聲霧化器各部分經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度螺栓等連接一個(gè)有機(jī)彈性體。

在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小徑向振動(dòng)影響，換能器橫向尺寸要比聲波在換能器材料中波

長(zhǎng)小多，縱振振子設(shè)計(jì)就能夠按一維理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)難度，所以，我們

假定所設(shè)計(jì)霧化器滿(mǎn)足以下條件：

1,霧化器各部分截面內(nèi)應(yīng)變分布均勻；

2,在霧化器內(nèi)，聲波波前面保持平面?zhèn)鬏敚覠o(wú)能量損耗。

3.2.1半波長(zhǎng)超聲霧化器換能器設(shè)計(jì)

換能器設(shè)計(jì)頻率為55KHz,依據(jù)表3-3各部分材料參數(shù)如表3-4所表示,

表

3

-4換能器各部分材料參數(shù)

部件名稱(chēng)材質(zhì)密度P縱波波速c聲阻抗率波長(zhǎng)波數(shù)k

(kg/n3)(m/s)kg/siW21。6(mm)(rad/cm)壓電陶盜RZT-8

7600310023.561070.405前蓋板硬鋁122700520014.0494.53.66

后蓋板40Cr7865510040.1192.70.67

前蓋板長(zhǎng)度：1/423.6mmo因?yàn)榭v向換能器徑向尺寸通常應(yīng)小于對(duì)應(yīng)

材料聲波波長(zhǎng)的1/4,故壓電陶瓷片PZT-8直徑選取為中20麗，對(duì)應(yīng)陶瓷片內(nèi)徑

為厚度為4mm。由式3T0和表3-3中材料參數(shù)計(jì)算后蓋板長(zhǎng)度1為

9nnno

莊電陶瓷材料抗脹強(qiáng)度低，其數(shù)值約為5X107N/m2o而其抗壓強(qiáng)度較高，

大約為其抗張強(qiáng)度10倍左右，約50X107N/m2。故大功率下易損壞，通常采取

加預(yù)應(yīng)力方法。對(duì)預(yù)應(yīng)力要求既增加了預(yù)應(yīng)力同時(shí)又不影響陶瓷片振動(dòng)。試驗(yàn)表

明：預(yù)應(yīng)力大小有一個(gè)適宜范圍，其大小應(yīng)調(diào)整到大于換能器工作過(guò)程中所碰到

最大伸張應(yīng)力。據(jù)此選擇適宜高強(qiáng)度螺栓，以滿(mǎn)足將換能器各部分壓緊為一個(gè)彈

性有機(jī)體要求。

3.2.2半波長(zhǎng)超聲霧化器階梯變幅桿設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)變幅桿節(jié)面位于大截面前端面，求得粗圓柱段長(zhǎng)度14,/依

據(jù)表3-3中數(shù)據(jù)，計(jì)算得14=2釀6nm1。同理，細(xì)圓柱段長(zhǎng)度

4

1/423.6mm。

5

變幅桿粗圓柱段直徑D=20mm,細(xì)圓柱段直徑D=8mm,階梯變幅桿有

45關(guān)參數(shù)以下：

面積系數(shù)為：ND/R=2.5

15

(3-19)

放大系數(shù)為：MN26.25

(3-20)

階梯型變幅桿實(shí)際諧振頻率比理論計(jì)算諧振頻率低，原因主要是由粗細(xì)連接截

面處因?yàn)榻孛嫱蛔兌a(chǎn)生應(yīng)力集中造成。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低變幅桿粗細(xì)截面處

應(yīng)力集中，提升實(shí)際諧振頻率，使變幅桿實(shí)際諧旅頻率和理論諧振頻率相靠近，通

常粗圓柱段和細(xì)圓柱段采取圓弧過(guò)渡。使變幅桿實(shí)際諧振頻率和理論諧振頻率相一

致過(guò)渡圓弧稱(chēng)為最好過(guò)渡圓弧。

依照文件[58],最好過(guò)渡圓弧直徑R計(jì)算公式為：

D/I0.447

(3-21)

節(jié)面

其中，

由文件［58］查得0.447時(shí)，R/D=0.65,故最好過(guò)渡圓弧為:

R0.65D5.2mm,圓弧過(guò)渡階梯型變幅桿結(jié)構(gòu)如圖3-4所表示。

圖3-4圓弧過(guò)渡階梯型變幅桿

3.2.3超聲霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲霧化器結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)基本確定，還需要確定高強(qiáng)度連接螺栓，法蘭，進(jìn)

水孔，前端霧化圓盤(pán)等幾部分。

換能器連接螺栓應(yīng)具備較高強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)預(yù)應(yīng)刀估算選擇螺栓材料和尺寸參

數(shù)。

已知E5105v/m,機(jī)械品質(zhì)原因Q40,楊氏模量Y6lOio2，

naxm

縱向壓電常數(shù)d310"m/v,拉力極限為200N/cm2,則最大拉力值為：

33

PdYEQ

mux33m

(3-22)

計(jì)算可知最少需施加3600N/cm2預(yù)應(yīng)力才能確保壓電陶瓷片不被拉壞；考慮

壓電陶瓷片拉力極限，最少需施加3400N/cm2力才能使壓電陶費(fèi)一直

處于受壓狀態(tài)下。

陶瓷片橫截面積為：SD22d2!/

(3-23)

故壓電陶瓷晶片不被拉壞最小預(yù)應(yīng)力為：FPS

minmin

(3-24)

預(yù)應(yīng)力螺栓橫截面積為：SF/

螺栓

(3-25)

將相關(guān)參數(shù)代入上述各式，計(jì)算得到預(yù)應(yīng)力嘿栓最小直徑為6.8nim。因?yàn)閾Q

能器所選取壓電陶瓷片內(nèi)徑為10mm,螺栓和陶瓷片內(nèi)孔之間還有絕緣套，所以，

螺栓直徑為8mmo

霧化器法蘭作用主要有兩個(gè)，一是為了固定去蘭位置與其余部件進(jìn)行連接紐

帶；二是預(yù)防前部水霧回流，輕易引發(fā)壓電陶瓷淮處電極短路，起保護(hù)電路作

用。所以，法蘭位置應(yīng)設(shè)置在陶瓷堆前端節(jié)面處。法蘭具備一定厚度，會(huì)對(duì)霧化

器諧振頻率有一定影響，為了減小法蘭對(duì)霧化器清振頻率影響，其厚度越薄越

好。對(duì)法蘭來(lái)說(shuō)，換能器相當(dāng)于一個(gè)激勵(lì)源，使法蘭做彎曲振動(dòng)，當(dāng)換能器激振

頻率等于法蘭盤(pán)固有諧振頻率時(shí)，法蘭彎曲振動(dòng)較大，所以，法蘭固有諧振頻率

應(yīng)遠(yuǎn)離霧化器諧振頻率。材料一定情況下，法蘭盤(pán)固有諧振頻率與厚度和外徑關(guān)

于，厚度越薄，外徑越大，法蘭盤(pán)固有諧振頻率就越小[62],越遠(yuǎn)離霧化器諧振頻

率。但法蘭外徑過(guò)大，過(guò)薄，其機(jī)械強(qiáng)度就不足，引發(fā)顫動(dòng)。所以，法蘭尺寸應(yīng)

選擇一個(gè)適宜范圍。其厚度逋常為2nmi左右。外徑應(yīng)依照換能器直徑適當(dāng)確定，

設(shè)計(jì)霧化器法蘭外徑預(yù)取40mmo法蘭最大節(jié)圓通常是連接孔位置，對(duì)螺釘強(qiáng)度

要求較低，直徑越小越好，通常選M2或M3。為了不影響霧化器性能參數(shù)，法蘭

與其余固定件接觸面積越小越好。所以，法蘭最大節(jié)圓與法蘭半徑差值不宜過(guò)

小，也不宜過(guò)大，半徑差值通常選3mm左右。

為了減小進(jìn)水孔其對(duì)霧化器性能參數(shù)影響，進(jìn)水孔孔徑應(yīng)盡可能小，同時(shí)設(shè)

置在換能器前節(jié)面位置。前端霧化圓盤(pán)是實(shí)現(xiàn)霧化主要器件，但霧化圓盤(pán)外徑和

厚度會(huì)影響霧化器阻抗，諧振頻率等參數(shù)。同時(shí)，若霧化階梯變幅桿外徑比激勵(lì)

源直徑大很多，霧化圓盤(pán)會(huì)產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，徑向振幅不一致，生成霧粒就會(huì)不均

勻。所以，霧化圓盤(pán)外徑比激勵(lì)源直徑稍大即可，較小影響霧化圓盤(pán)徑向縱振振

幅分布。細(xì)段直徑是8mm,前端霧化圓盤(pán)直徑取12mm。

在變幅桿上附加霧化圓盤(pán)后，會(huì)造成霧化器喈振頻率下降和振幅減小[40]o

采取質(zhì)量互易法進(jìn)行修正，以減小附加霧化圓盤(pán)對(duì)霧化器影響。如圖3-5所表

示，圖中1為超聲變幅桿附加霧化圓盤(pán)后總等效長(zhǎng)度，1為超聲變幅桿長(zhǎng)度，細(xì)

端直徑D=8mm；前端霧化圓盤(pán)直徑D取12mm，厚度h為2mm。

17變幅桿附加霧化圓盤(pán)后修正公式為:

hSS(3-26)

其中，SD2,S

圖3-5階梯型變幅桿修正示意圖

由上式(3-27)可變換為:

S/s

(3-27)

將各數(shù)值帶入式(3-27)、(3-28)得，12.5mm,所以，變幅桿附加霧化

A

7圓盤(pán)后變幅桿等效長(zhǎng)度

111=21.Ininio

霧化器反射義主要作用是將液體反射到霧化面上，增大液體與霧化面接觸面

積，提升霧化量。霧化器反射頭質(zhì)量會(huì)影響霧化器前段振幅和，諧振頻率，阻抗

等參數(shù)。所以，霧化器反射頭材料用選取密度較小材料和較小外形結(jié)構(gòu)。為了使

反射液體能均勻、較多反射到霧化面上，霧化器反射頭周向最少做4個(gè)斜孔，孔

直徑在1mm以下，斜孔中心線(xiàn)與反射板交點(diǎn)應(yīng)位于反射板中徑以?xún)?nèi)。

綜合上述分析和計(jì)算，圖3-1所表示超聲霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸如表3-5所表

示：

表3-5超聲霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸

11111h

12346過(guò)渡圓弧

直徑(mm)2020202081210.4

長(zhǎng)度(mm)98.423.623.621.125.2

材料40CrPZT-8硬鋁12硬鋁12硬鋁12硬鋁12硬鋁12

3.3理論設(shè)計(jì)超聲霧化器結(jié)構(gòu)有限元分析

本文主要是經(jīng)過(guò)對(duì)超聲霧化器進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得到超聲霧化器固有諧振

頻率、模態(tài)振型等，以檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)霧化器結(jié)構(gòu)合浬性。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特

征一個(gè)近代方法，是系統(tǒng)分辨方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用。

為了確保模型計(jì)算精度和提升運(yùn)算速度，應(yīng)忽略粘接劑、電極片厚度、螺栓

預(yù)應(yīng)力、螺紋結(jié)構(gòu)等情況影響[64],各部分模型建好后還應(yīng)利用NUMMRG命令

優(yōu)化各個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算序號(hào)。依照上文中超聲霧化器相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)在A(yíng)NSYS10.0

中進(jìn)行建模,為了提升模態(tài)分析過(guò)程實(shí)際效果，在進(jìn)行建模時(shí)，同一個(gè)零件

之間“縫隙”采取VADD相加方式如法蘭盤(pán)與換能器前蓋板、換能器前蓋板和

變幅桿之間；不一樣零件之間采取VGLUE粘接方式如后蓋板與壓電陶瓷堆、

換能

器前蓋板與壓電陶瓷堆之間。超聲霧化器ANSYS噗型如圖3-6所表示。

圖3-6超聲霧化器ANSYS模型

模型建立完成后，需要為振子系統(tǒng)每個(gè)體定義適宜單元類(lèi)型和材料屬性，其

中振子系統(tǒng)所用材料參數(shù)及選取單元類(lèi)型如表3-6所表示。給霧化器各部分配材

料等屬性后，對(duì)所建模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分越細(xì)密，模態(tài)分析計(jì)算精度越

高，同時(shí)運(yùn)算占用空叵和時(shí)間也可能越多，所以，要依照實(shí)際情況選取適宜網(wǎng)

格。對(duì)設(shè)計(jì)霧化器進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)及諧振頻率模擬分析和計(jì)算，應(yīng)在壓電陶瓷堆加

載交流電壓情況下進(jìn)行[65],使其更靠近實(shí)際，即對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化。在施加載

荷和求解后，得到超聲霧化器模態(tài)振型。

表3-6霧化器各部分材料屬性

密度（kgr/3）

材料楊氏模量E(N/HI?泊松比單元類(lèi)型

40Cr2.16E1178650.28S0LID98

PZT-88.7E1076000.34S0LID5

硬鋁127.1E1027000.33SOLID98

在40~70KHz頻率范圍內(nèi)取40階模態(tài)，選擇使用BlockLanczos提取方法,

得到超聲霧化器在4(T70KHz頻率范圍內(nèi)短路狀態(tài)一階縱向振動(dòng)模態(tài)如圖3-7所

表示，霧化器諧振頻率為53.6KHzo與設(shè)計(jì)頻率55KHz相差1.4KHz,誤差為

2.5%o造成ANSYS分析頻率與設(shè)計(jì)頻率不一致原因有多方面。如選取材料參數(shù)不

一致；模型簡(jiǎn)化、過(guò)渡圓弧直徑選取未達(dá)成最優(yōu)等。與理論計(jì)算相比，ANSYS

分析結(jié)果則相對(duì)較靠近實(shí)際諧振頻率。但假如所建立ANSYS模型與聲學(xué)計(jì)算模型

相差較大，則實(shí)際諧振頻率與ANSYS分析結(jié)果相差也會(huì)較大。所以，為了使所

設(shè)計(jì)霧化器諧振頻率達(dá)成設(shè)計(jì)頻率55KHz,能夠?qū)F化器在設(shè)

計(jì)模型基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)ANSYS模態(tài)分析進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

圖3-7霧化器縱振模態(tài)及其固有頻率

縱向振動(dòng)模態(tài)剖面圖如圖3-8所表示。從圖中能夠看出聲在霧化器中傳輸并

非是整個(gè)傳輸過(guò)程中都是以平面形式向前傳輸。在不一樣部件接觸處和截面改變

處，波前面形狀是不一樣。在變幅桿中間波幅處，波前面近似為平面，但在陶瓷

堆和前蓋板接觸處、變幅桿變截面處等處聲波前面近似為弧形。聲波在霧化器中

傳輸形式與我們理論計(jì)算假設(shè)有些出入，這也是設(shè)計(jì)頻率和

ANSYS分析諧振頻率不一致原因之一。

圖3-8縱向振動(dòng)模態(tài)剖面圖

/MV

IK3L9cLeTWV

?M>3Q12

aimy

uaa8呻

tMT

沿超聲霧化器中心軸線(xiàn)方向提取縱向振動(dòng)幅值曲線(xiàn)如圖3-9、圖3T0所表示,

圖中橫坐標(biāo)起始位置為后蓋板后端面。從圖3-8中能夠看出，中心軸向上有2

個(gè)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)在法蘭處，另一個(gè)位于變幅桿突變截面后面；沿中心軸線(xiàn)，縱向

相對(duì)振幅在霧化器前端達(dá)成最大，與設(shè)計(jì)要求一致。從圖3-9能夠查得，從后

蓋板后端面起，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)在18.7mm處，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)在60.4mm處。而設(shè)計(jì)時(shí)

第一個(gè)節(jié)面距離后蓋板后端面17mm,第二個(gè)節(jié)面在64nlm處。對(duì)比發(fā)覺(jué)，中心

軸線(xiàn)上第一個(gè)節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)節(jié)面前面，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)節(jié)面后面?？紤]到超聲

波在霧化器中波前面形狀，有一定合理性。為了深入確認(rèn)，應(yīng)對(duì)霧化器圓周面

上節(jié)圓位置進(jìn)行確定。

圖3-9基于霧化器模型軸線(xiàn)方向縱振幅值曲線(xiàn)圖

圖3-10霧化器軸線(xiàn)方向縱振幅值曲線(xiàn)

“32012

XUP“加:覺(jué)

FTCQ-S3S93

PAWPLOT

Al”

在超聲霧化器外圓面取一條與超聲霧化器中心軸線(xiàn)平行路徑，提取縱向振

動(dòng)幅值曲線(xiàn)，外圓面軸向縱振幅值曲線(xiàn)圖如圖3-11所表示。圖3-12為霧化器

外圓軸向縱振(UZ)和總振幅(USUM)幅值曲線(xiàn)，圖中橫坐標(biāo)起始位置為后蓋板

后端面。從圖3-11、3T2中能夠看出，縱振相對(duì)幅值改變趨勢(shì)和中心軸線(xiàn)振幅

改變趨勢(shì)一致，但中間半波長(zhǎng)則比中心軸線(xiàn)上半波長(zhǎng)較長(zhǎng)。外圓面軸向一樣有

2個(gè)節(jié)圓。從圖3-12能夠查得，第一個(gè)節(jié)圓在距離后蓋板后端面16.7mm處，

第二個(gè)節(jié)圓在64.0mm處。第一個(gè)節(jié)圓與設(shè)計(jì)節(jié)面位置17mm僅相差0.3mm,位

于設(shè)計(jì)節(jié)面后面；第二個(gè)節(jié)圓在64mm處，雖與第二個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)面位置64mm一

致，但此處縱向振幅不為零，與設(shè)計(jì)理論有出入，需要深入優(yōu)化，以使霧化器

達(dá)成設(shè)計(jì)要求。

圖3-11基于霧化器模型外圓面軸向縱振幅值曲線(xiàn)圖

圖3T2霧化器軸線(xiàn)方向縱振振幅(UZ)和總振幅(USUM)幅值曲線(xiàn)

DI3T

經(jīng)過(guò)對(duì)超聲霧化器中心軸線(xiàn)上節(jié)點(diǎn)位置、霧化器外圓軸向節(jié)圓位置分析發(fā)

覺(jué)，第一個(gè)節(jié)面在霧化器中形狀是一個(gè)中心向前凸凸形弧面，第二個(gè)節(jié)面在霧化

器中形狀為一個(gè)向后凹凹形弧面。第一個(gè)節(jié)面中心節(jié)點(diǎn)和外圓節(jié)圓軸向相差

2mm,第二個(gè)節(jié)面中心節(jié)點(diǎn)和外圓節(jié)圓軸向相差3.6mm,即第一個(gè)節(jié)面聲波前面曲

率半徑較小，而第二個(gè)節(jié)面聲波前面曲率半徑較大。依照ANSYS分析對(duì)聲波前面

位置判斷，第一個(gè)節(jié)面位置在理論設(shè)計(jì)節(jié)面之后，第二個(gè)節(jié)面在理論設(shè)計(jì)節(jié)面之

前，這與ANSYS分析小于設(shè)計(jì)頻率是一致。

法蘭主要作用是符霧化器與其余部件連接，以固定霧化器使其正常工作。為

了減小外部構(gòu)件對(duì)超聲霧化器性能參數(shù)影響，理淪上要求法蘭無(wú)振動(dòng)，所以，設(shè)

計(jì)時(shí)將其設(shè)置在節(jié)面處，但實(shí)際法蘭通常會(huì)產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，原因主要是后段換能

器充當(dāng)了激勵(lì)源。首先，從ANSYS分析分析結(jié)果知，超聲在第一個(gè)節(jié)面處波前面

是一向前凸凸形弧面，而非平面，這會(huì)造成法蘭在厚度方向上振幅不一致，致使

法蘭產(chǎn)生彎曲或扭曲等振動(dòng)形式。其次，法蘭具備一定厚度，在節(jié)面兩邊有微小

縱向振幅，理論上若節(jié)面在法蘭厚度中間面，則節(jié)面兩邊微小縱振會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉ㄌm

徑向振動(dòng)，而沒(méi)有縱向振動(dòng)，但實(shí)際節(jié)面位置極少在法蘭厚度中間面，致使法蘭

DIST

產(chǎn)生彎曲或扭曲振動(dòng)。法攔后端面基于霧化器模型縱向振動(dòng)幅值曲線(xiàn)圖如圖3-13

所表示，法蘭后端面縱振幅值曲線(xiàn)如圖3-14所表示。從圖中輕易看出，法蘭后端

面作彎曲振動(dòng)，中心處縱向振幅最大；有兩個(gè)節(jié)圓。

從圖3-14中查得大節(jié)圓直徑為33.6mm,小節(jié)圓直徑為19.2mm。

圖3T3基于霧化器模型法蘭后端面縱向振動(dòng)幅值曲線(xiàn)圖

圖3-14法蘭后端面縱版幅值曲線(xiàn)

霧化器霧化面主要作用是將供液裝置供給液體霧化。霧化面表面振幅大小

影響霧粒生成和粒徑大小。為了霧粒分布均勻性，霧化面振幅應(yīng)等值。因?yàn)殪F

化面比變幅桿細(xì)段直徑大，變幅桿細(xì)段對(duì)霧化圓盤(pán)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)激勵(lì)源，

會(huì)造成霧化面振幅幅值不相等，所以，需要對(duì)霧化面處縱向振幅進(jìn)行研究，以

判定霧化面縱向振幅幅值是否相差過(guò)大?；谀Ｐ挽F化面縱向振幅幅值圖如圖

3-15所表示，霧化面縱向振幅幅值曲線(xiàn)如圖3-16所表示。從圖中看出霧化面

縱向振幅整體較大，但幅值有一定差異，從圖3-16中查得，最大縱向振幅

(UZ)為22.2,最下為19.8,相差較小，對(duì)霧粒分布會(huì)有一定影響，但影響

不大，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖3-15基于霧化器模型霧化面縱向振幅幅值圖

圖3T6霧化面縱向振幅幅值曲線(xiàn)

總而言之，經(jīng)過(guò)對(duì)超聲霧化器諧振頻率、節(jié)面位置、法攔和霧化面等ANSYS

有限元分析，所設(shè)計(jì)霧化器諧振頻率、節(jié)面位置等性能參數(shù)與ANSYS有限元分析

結(jié)果基本相符。但為了使所設(shè)計(jì)霧化器諧振頻率、節(jié)面位置等性能參數(shù)盡可能和

實(shí)際霧化器相一致，需要基于有限元對(duì)霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。

3.4基于有限元霧化器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)性能參數(shù)影響研究

霧化器對(duì)諧振頻率、節(jié)面位置、霧化面振幅等都有一定要求。而影響諧振頻

率、節(jié)面位置等原因有很多，如法蘭盤(pán)厚度，法蘭盤(pán)直徑、霧化圓盤(pán)厚度，霧化

圓盤(pán)直徑、過(guò)渡圓弧半徑等。為了實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)霧化器諧振頻率、節(jié)面位置等性能

參數(shù)盡可能和實(shí)際霧化器相一致，對(duì)霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，需要對(duì)法蘭盤(pán)厚度，

法蘭盤(pán)直徑、霧化圓盤(pán)厚度，霧化圓盤(pán)直徑、過(guò)渡圓瓠半徑對(duì)霧化器諧振頻率、

節(jié)面位置影響分別進(jìn)行研究。依照各原因?qū)Τ曥F化器性能參數(shù)影響大小程度，

確定優(yōu)化方法，對(duì)霧化器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以確定合理結(jié)構(gòu)尺寸。

3.4.1過(guò)渡圓弧半徑對(duì)霧化器頻率、軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)影響研究

階梯型變幅桿在粗細(xì)圓柱段連接截面處由截面突變會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成階

梯型變幅桿實(shí)際諧振頻率比理論計(jì)算諧振頻率低。通常經(jīng)過(guò)在粗圓柱段和細(xì)圓柱

段連接處采取圓弧過(guò)渡，降低變幅桿粗細(xì)截面處因截面突變引發(fā)應(yīng)力集中，提升

實(shí)際諧振頻率，使變幅桿實(shí)際諧振頻率和理論諧派頻率相一致，同時(shí)，階梯型變

幅桿不會(huì)因應(yīng)力集中而造成變幅桿疲勞斷裂，提升變幅桿使用壽命。

采取控制變量法，基于有限元ANSYS分析，以霧化器理論設(shè)計(jì)模型尺寸為基

礎(chǔ)，以過(guò)渡圓瓠半徑為變量，研究過(guò)渡圓弧半徑改變對(duì)超聲霧化器諧振頻率、節(jié)

面位置影響規(guī)律。過(guò)渡圓弧半徑取5.2mm、6.2mm、7.2mm、8.2mm、9.2mm等5個(gè)

值。

經(jīng)過(guò)在A(yíng)NSYS10.0前處理器中三維建模，給各部分選擇適宜單元類(lèi)型，輸入

密度、泊松比和彈性模量等材料參數(shù)，分配材料屬性，然后采取自動(dòng)網(wǎng)格劃分方

法對(duì)建好模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（可依照需要設(shè)置網(wǎng)珞疏密，網(wǎng)格越密運(yùn)算越精準(zhǔn)，

運(yùn)算時(shí)間也越長(zhǎng)），在施加載荷后選擇分析類(lèi)型為模態(tài)分析，然后在

求解器中選擇Block-Lanczos模態(tài)提取方法，設(shè)定頻率搜索范圍為40000-

70000Hz,求解變幅桿固有頻率和振型，在通用后處理器P0ST1中查看結(jié)果。過(guò)渡

圓弧半徑取5.2mm、6.2mm、7.2mm8.2mm、9.2nm時(shí)，霧化器諧振頻率改變曲線(xiàn)

如圖3-17所表示、霧化器中心軸線(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)（后節(jié)面）位置改變曲線(xiàn)如圖3-

18所表示、霧化器中心軸線(xiàn)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)（前節(jié)面）位置改變曲線(xiàn)如圖3-19所表

示、距后蓋板后端面64nlm處理論前節(jié)面外圓點(diǎn)縱向振幅改變曲線(xiàn)如圖3-20所表

不O

圖377霧化器諧振頻率Fr與過(guò)渡圓弧半徑R關(guān)系曲線(xiàn)

圖37B軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)1位置與過(guò)渡圓弧半徑R關(guān)系曲線(xiàn)

圖3-

19軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)2位置與過(guò)渡圓瓠半徑R關(guān)系曲線(xiàn)

圖3-20理論前節(jié)面外圓點(diǎn)振幅與過(guò)渡圓弧半徑關(guān)系曲線(xiàn)

59.8

59.6------------?-

59.q■

59.2

5.26.27.28.29.210.2

圓弧半徑Rtmt)

I〔

〕

慳

喝

區(qū)

國(guó)

氐

回

滬

稼

總

購(gòu)

圓弧半徑R(Q

圖3-17表明霧化器諧振頻率Fr伴隨過(guò)渡圓弧半徑R增大而升高；當(dāng)過(guò)

渡圓瓠半徑為7.2mm時(shí)，霧化器諧振頻率達(dá)成了55.3KHz,與設(shè)計(jì)頻率誤差只

有0.5%,所以，當(dāng)過(guò)渡圓弧半徑為7mm時(shí)，霧化器諧振頻率應(yīng)和設(shè)計(jì)頻率基

本一致。

圖3-18和圖3T9表明，伴隨過(guò)渡圓弧半徑噌加，軸線(xiàn)上節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2位

置向后有微量移動(dòng)，但在過(guò)渡圓弧半徑某段范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)是基本不隨過(guò)渡圓弧半

徑增加而改變。如節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2在過(guò)渡圓弧半徑6.2mm?8.2mm范圍內(nèi)均不

變。而在過(guò)渡圓弧半徑6.2mm?8.2mm范圍內(nèi)，霧化器模型頻率與設(shè)計(jì)頻率是基本

靠近，所以，我們也能夠說(shuō)，在最好過(guò)渡圓弧半徑左右，霧化器軸向節(jié)點(diǎn)位置基

本不變。

圖3-20表明，伴隨過(guò)渡圓弧半徑增加，理論設(shè)計(jì)前節(jié)面外圓點(diǎn)縱向相對(duì)振幅

在減小。而軸線(xiàn)上節(jié)點(diǎn)2位置卻不變或向后移動(dòng)較小，說(shuō)明伴隨過(guò)渡圓弧半徑增

加，節(jié)面2向后凹曲率在減小，這與超聲霧化器設(shè)計(jì)理論相符。

3.4.2法蘭對(duì)霧化器頻率、后節(jié)圓、軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)及法蘭大節(jié)圓影響研究

法蘭用于超聲霧化器與外部裝置緊固連接，用以固定霧化器。在應(yīng)用中需選

擇合理法蘭盤(pán)直徑以確保法蘭盤(pán)外圓表面上無(wú)振動(dòng)或振動(dòng)幅值靠近于零。即使設(shè)

計(jì)時(shí)將其設(shè)置在節(jié)面處，但法蘭具備一定厚度，在節(jié)面兩邊有微小縱向振幅和相

對(duì)較大徑向振幅，后段換能器又相當(dāng)于一個(gè)激勵(lì)源，致使法蘭產(chǎn)生彎曲或扭曲振

動(dòng)。反過(guò)來(lái)，作為超聲霧化器一部分，法蘭對(duì)霧化器諧振頻率，節(jié)面位置等產(chǎn)生

影響。本文采取控制變量法，基于有限元ANSYS分析，分別研究法蘭厚度h、直

徑D兩個(gè)變量對(duì)超聲霧化器諧振頻率Fr,節(jié)面位置及法蘭本身節(jié)圓影響。

3.4.2.1法蘭厚度對(duì)霧化器頻率、后節(jié)圓、軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)及法蘭大節(jié)圓影響研究

以霧化器理論設(shè)計(jì)模型尺寸為基礎(chǔ)，以法蘭厚度h為變量，研究法蘭厚度h

改變對(duì)超聲霧化器諧振頻率、節(jié)面位置、法蘭后端面大節(jié)圓影響規(guī)律。法蘭直徑

D為40nlm,法蘭厚度h取lmm、1.5mm、2mm、2.5mm、3nlm等5個(gè)值。霧化器諧振

頻率Fr改變曲線(xiàn)如圖3-21所表示、霧化器中心軸線(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)（后節(jié)面）位置

改變曲線(xiàn)、霧化器中心軸線(xiàn)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)（前節(jié)面）位置改變曲線(xiàn)如圖3-22所表

示、距后蓋板后端面17nlm處理論后節(jié)面（第一個(gè)節(jié)面）外圓表面節(jié)圓位置改變曲

線(xiàn)如圖3-23所表示、法蘭最大節(jié)圓與法蘭半徑差值改變曲線(xiàn)如圖3-24所表示。

^04

B8

3?6

(?

Zs4

H

5s?

02

?

在3

OL

於528

整?6

馨52

?

型524

?2

52

?

OL2

O511522535

?￡L3.

法蘭厚度h［畫(huà)）

圖3-

21霧化器諧振頻率Fr與法蘭厚度關(guān)系曲線(xiàn)

圖3-21表明，伴隨法蘭厚度增加，超聲霧化器諧振頻率從53.57KHz增加

到了53.61KHZ,僅僅增加了0.04KHZ,說(shuō)明法蘭厚度對(duì)霧化器諧振頻率幾

乎沒(méi)有影響。

圖3-22軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置與法蘭厚度h關(guān)系曲線(xiàn)

圖3-22表明，在法蘭厚度增加過(guò)程中，超聲霧化器中心軸線(xiàn)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)（節(jié)

點(diǎn)1）位置一直是距后蓋板后端面18.76nun。在法蘭厚度增加過(guò)程中，超聲霧化器

中心軸線(xiàn)第二個(gè)節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2）位置一直是距后蓋板后端面59.96mm處。即，在

法蘭厚度增加過(guò)程中，中心軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置均不變。所以，法蘭厚度對(duì)軸線(xiàn)上節(jié)點(diǎn)

位置影響能夠忽略。

T-軸射卡點(diǎn)1標(biāo)］

土軸線(xiàn)節(jié)點(diǎn)2位置I

20

0.511.522.533.5

法蘭厚度h(mm)

圖『23外圓表面節(jié)圓1位置與法蘭厚度h關(guān)系曲線(xiàn)

圖3-23表明，在法蘭厚度增加過(guò)程中，超彥霧化器外圓表面節(jié)圓1位置

(18

自

)17.8

斷17.6

劃17.4

回

17.2

右

T

?17

護(hù)16.8

回16.6

格

16.4

畫(huà)

氐16.2

16

0.511.522.533.5

法蘭厚度h

從17.02mm降到了16.65mm,但在法蘭厚度1.5mm?2.5mm范圍內(nèi)，外圓表面節(jié)

圓1位置卻沒(méi)有改變，說(shuō)明在此范圍內(nèi)，法蘭厚度對(duì)外圓表面節(jié)圓1位置也幾

乎無(wú)影響。

圖3-24法蘭最大節(jié)圓與法蘭半徑差值和法蘭厚度h關(guān)系曲線(xiàn)

姻

4

判3.8

處3.6

升3.4

刈3.2

刑3

葉2.8

同2.6

護(hù)2.4

長(zhǎng)2.2

喉2

1.8

削1.6

班1.4

1.2

1

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

）

h（皿

厚度

法蘭

m

選3m

通常

差值

半徑

大，

宜過(guò)

也不