摘 要

由于超声波雾化具有雾滴细小、雾滴大小分布均匀、液体输送压力小、喷雾过程无堵塞和功率损耗小等特点，在日常生活、农业、医学和工业等各个领域得到了广泛的应用。根据超声雾化喷头的工作频率进行划分，可以分为低频（20～100kHz）超声雾化喷头和高频（大于1MHz）超声雾化喷头。由于低频超声雾化喷头可靠性更高，对雾化液的要求较低，可雾化的液体粘度更高，其雾化量相对也较大等优点，其应用范围比高频超声雾化喷头更广泛。但是，目前低频超声雾化喷头还普遍存在一些问题，如体积较大、结构不紧凑和雾滴分布不均匀等问题，因此，本文设计一种体积小、结构紧凑以及雾滴分布均匀的低频超声雾化喷头，设计频率为65kHz。论文主要通过理论计算、Abaqus有限元仿真分析和实验测试进行设计超声雾化喷头，主要内容如下：

（1）通过理论计算，设计了超声雾化喷头的结构。换能器将螺杆和前盖板做成一体，后盖板做成锁紧螺母，使换能器的结构更加紧凑。同时，换能器的前盖板做成前小后大的形状，使换能器同时具有振幅放大的作用。变幅杆采用圆锥形，雾化小端做成蘑菇形，可以提高超声雾化的效果。

（2）通过Abaqus的模态仿真分析，喷头的谐振频率为62.811kHz。为了得到频率偏差更小的喷头，通过减小纵向尺寸对喷头进行优化设计，最终设计谐振频率为64.231kHz。

（3）通过谐响应分析，验证了超声雾化喷头在谐振频率附近振幅最大，并分析了喷头的应力分布。

（4）利用IM3570型阻抗分析仪对超声雾化喷头进行阻抗测试实验得到其实际谐振频率为63.824kHz，与设计频率相差1.81%。对超声雾化喷头进行喷雾实验，喷雾均匀，有效功耗低，雾化性能良好。在有效功耗为1W时，最大雾化流量为10mL/min。

关键词：超声雾化；换能器；变幅杆；谐振频率；有限元法

Abstract

Since the ultrasonic atomization droplet having a fine, uniform droplet size distribution, fluid delivery pressure is small, the spray process without clogging and loss of power and other characteristics, in all areas of daily life, agriculture, medicine and industry have been widely used. According to the operating frequency, ultrasonic atomizer can be divided into low frequency (20 ~100kHz) and high-frequency (more than 1MHz) ultrasonic atomizer. Because the low-frequency ultrasonic atomizer has higher reliability, lower requirement for liquid atomization and higher viscosity of the liquid can be atomized, larger flow rate and so on, the range of applications of low frequency ultrasonic atomizer is bigger than high-frequency ultrasonic atomizer. However, at present the low-frequency ultrasonic atomizer is generally has some problems, such as large size, uncompact structure, uneven distribution of droplets, and so on. Therefore, this time I’m to design a ultrasonic atomizer which has a small size , compact structure and it’s distribution of droplets are uniform, and it’s frequency is 65kHz.

Thesis mainly through the theoretical calculation, using Abaqus finite element simulation analysis and experimental test to design a ultrasonic atomizer and it’s frequency is 65 kHz.

（1）The structure of ultrasonic atomizer is designed by theoretical calculation. The screw and the front cover is formed integrally, rear cover is made as a fasten the screw nut, so the structure of the transducer are more compact. At the same time, the transducer front cover is made to be one end is small and the other end is big, so the transducer can enlarge amplitude. The amplitude is made by a cone, and the front of the amplitude is made as a mushroom so as to increase the effect of ultrasonic atomization.

（2）The resonant frequency of the ultrasonic atomizer is 62.811kHz by Abaqus’s modal simulation analysis. In order to reduce the deviation of design, making a optimal design by reduce the length of the ultrasonic atomizer, and the final frequency is 64.231kHz.

（3）It’s verified that the largest amplitude is near the resonance frequency of the ultrasonic atomizer by harmonic response analysis, stress distribution also was analyzed, too.

（4）The resonant frequency of the ultrasonic atomizer is 63.824kHz tested by impedance analyzer IM3570, and the deviation is 1.81% compared with the design frequency. A spray experiment was did for the ultrasonic atomizer, the result shows that the dropets is uniform and the effective power consumption is low, the atomization performance is good. The biggest liquid flow rate is 10mL/min when the effective power consumption is 1W.

Key Words：ultrasonic atomization; transducer; the amplitude; resonant frequency; finite element methods

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本章小结 5

第2章 超声雾化喷头设计 6

2.1 超声雾化原理 6

2.2 超声雾化喷头结构 6

2.3 换能器的理论分析及计算 6

2.3.1 换能器的选择 6

2.3.2 换能器的结构设计 7

2.3.3 换能器的材料选择 9

2.3.4 换能器的尺寸计算 11

2.4 变幅杆的设计 12

2.4.1 变幅杆的选择 12

2.4.2 变幅杆的尺寸计算 12

2.5 本章小结 13

第3章 模态仿真分析与优化设计 14

3.1 模态仿真的目的 14

3.2 模态仿真的原理 14

3.3 模态仿真 14

3.3.1 有限元模型的建立 14

3.3.2 模态仿真过程 15

3.3.3 模态仿真结果分析 17

3.4 优化设计 18

3.5 本章小结 18

第4章 谐响应仿真分析 19

4.1 谐响应仿真的目的 19

4.2 谐响应仿真的原理 19

4.3 谐响应仿真 19

4.3.1 谐响应仿真过程 19

4.3.2 谐响应仿真结果分析 20

4.4 本章小结 22

第5章 实验测试 23

5.1 阻抗测试实验 23

5.1.1 阻抗测试实验原理 23

5.1.2 阻抗测试实验分析 24

5.2 喷雾实验 25

5.3 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1 完成的主要工作和结果 28

6.2 进一步的研究与展望 28

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

通过超声波雾化技术产生的雾滴直径细小，雾滴大小分布均匀且具有高度的圆整性，同时，超声雾化的雾化量相对较大，在使用时所需的液体输送压力很低，喷雾的速度也很低（一般为1m/s），喷雾过程中还具有无堵塞的特性，并且超声雾化具有能量损耗低的特点，其有效功耗可以很小，有利于节能环保。正是因为超声雾化具有以上优点，超声波雾化技术的应用领域越来越多。

1.1 研究目的及意义

超声雾化具有雾滴细小、大小分布均匀、高度圆整性、雾化量相对较大、液体输送压力低和喷雾速度非常低（典型的轴向平均液滴速度是V=1m/s）等优点^[1]，而且超声雾化喷头具有能量损耗低和无堵塞的特点^[2]，同时超声雾化喷头在很低的液体传输速度下可以获得非常好的雾化质量，因此在各个领域有着普遍的应用。在医学方面，通过超声雾化药物，可以直接通过呼吸道给药，有效地治疗鼻炎、哮喘、各种呼吸道疾病以及慢性阻塞性肺部疾病等病痛^[3-7]。在农业方面，可以通过超声雾化化肥、农药，减少其用量并提高利用效率，同时可以有效的降低环境污染^[8-11]。在工业方面，超声雾化技术被应用于半导体刻蚀^[12-13]、电子产品盐雾试验^[14]、喷雾干燥、雾化燃烧、喷涂以及材料的制备等。在生活方面，超声雾化常用于空气加湿，既可以提高空气湿度，又可以使空气中的有害粒子沉积，达到净化空气的效果^[15]。总的来说，超声雾化技术的应用越来越广泛了。

在不同的应用场合，人们对雾化效果的要求也会不同。通过设计超声雾化喷头的结构和控制雾化流量的大小，可以得到不同的雾化效果。超声雾化器按照频率的高低可以分为低频（20～100kHz）和高频（大于1MHz）两种。高频超声雾化器具有连续工作时间较短、对雾化液要求较高、不能雾化高黏度液体、雾化量小且不稳定等缺点，因而现在其应用受到了极大的限制。低频超声雾化器连续工作的时间较长，不仅对雾化液的要求低，还可以雾化高黏度的液体，而且其雾化量相比较高，性能可靠稳定 ^[16]。正因为如此，现在超声雾化领域现在应用的基本上是低频的超声雾化喷头，可见其发展前景之好。但是，目前低频超声雾化喷头还存在一些问题，比如体积较大、结构不紧凑和雾滴分布不均匀等，因此，本文设计一种体积小、结构紧凑以及雾滴分布均匀的低频超声雾化喷头，设计频率为65kHz。

1.2 国内外研究现状

超声雾化喷头的结构是影响雾化质量的主要原因，所以现在人们主要是通过合理的设计喷头的结构来得到自己想要的雾化效果。下面来介绍几种国内外典型的超声雾化喷头的结构。