一种超声雾化变频喷头及其设计方法

1.本发明涉及一种植保雾化喷头领域，尤其涉及一种超声雾化变频喷头及其设计方法。


背景技术：

2.目前，国内市面上的植保雾化喷头采用的是压力雾化、离心雾化等传统雾化方式，雾滴粒径比较大；而不同的病虫害类别、生长期和严重程度不同，应对应不同的最佳喷雾粒径，特别在面对复杂农情喷雾作业时，需要频繁更换不同型号的喷头。变幅杆在制成后，谐振频率为固定值且无法调节。然而，在实际作业过程中，变幅杆谐振频率会受到负载、温度和磨损等因素的影响而偏移，导致换能器工作效率降低。目前解决这类问题的方法为：利用扫频信号激励工作中的超声换能系统，再利用激光测振仪获取工作端面的振幅随谐振频率变化的图像，得出当前的谐振频率。也可以利用阻抗分析仪测算出当前的谐振频率。最后调节超声发生器的激励电源来保证换能系统在谐振状态下工作。但是，通过这种方式获得的工作频率不等于换能系统的设计频率，这将导致位移节点的改变，使法兰不处于位移节点处。进而导致法兰的振幅增大，发热量增加，变幅杆使用寿命减少，传递效率降低。
3.此外，当工作环境改变时，作业任务也随之改变。例如，当进行植保作业任务时，农业工作者会根据不同的植物及其病虫害类别使用不同的农药，而每种病虫害对应一种防治效果最好的雾滴粒径，即最佳生物防治粒径。而通过超声雾化获得的雾滴粒径和超声振动系统的谐振频率相关。因此，可以通过更换不同谐振频率的变幅杆来使超声雾化系统适配不同的施药场景。但是，这将导致需要配备过多不同谐振频率的变幅杆供更换，降低了作业的便捷性。
4.总之，现有植保喷头存在很难形成细小雾滴粒径以及雾滴粒径不能实时调整等问题，特别是不能进行动态实时调整喷雾粒径开展精确喷雾作业，也不能根据个体作物小环境实施细雾滴微环境弥漫喷雾以提升植物表面雾滴的覆盖率，从而造成雾滴的叶片覆盖密度、覆盖均匀度低和农药利用率低。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明公开了一种超声雾化变频喷头及其设计方法，该喷头能通过改变喷头外部磁场，实时调节工作频率，精准控制雾滴粒径，解决传统超声雾化喷头粒径难以调节的问题。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种超声雾化变频喷头，包括从右到左依次设置的第三变幅杆、第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第一变幅杆、匹配块和压紧块；其中匹配块与所述第一变幅杆之间从右到左依次设有第一电极片、第一压电陶瓷、第二电极片、第二压电陶瓷、第三电极片、第三压电陶瓷、第四电极片、第四压电陶瓷和第五电极片；所述铽镝铁空心棒采用铽镝铁合金；线圈缠绕铽镝铁空心棒的外侧；所述第一电极片、第二电极片、第三电极片、第四电极片、第五电极片接
入交变电源后，所述第四压电陶瓷、第三压电陶瓷、第二压电陶瓷、第一压电陶瓷通过逆压电效应将电能转化为机械能，再通过所述第一变幅杆、第二变幅杆和第三变幅杆放大振动幅度，通过表面张力波和空化效应作用于药液，形成微米级的雾滴。
8.进一步的，所述第一变幅杆主体为一圆台，沿其中心线在设有第一通孔；所述第一变幅杆的两端分别设置有第二阶梯轴和第一阶梯轴；所述第一阶梯轴的一端从右至左依次穿过所述第一电极片、第一压电陶瓷、第二电极片、第二压电陶瓷、第三电极片、第三压电陶瓷、第四电极片、第四压电陶瓷、第五电极片和匹配块，并最终与压紧块连接。
9.进一步的，所述第一阶梯轴的轴肩设置有第一螺纹；所述压紧块通过第一螺纹固定于第一阶梯轴上。
10.进一步的，所述第二变幅杆主体为一阶梯轴，在其直径较大的一端设置有第一螺纹孔，所述第二变幅杆的中心线设置有第二通孔；所述第二变幅杆通过所述第一螺纹孔与所述第一变幅杆螺纹连接。
11.进一步的，所述第三变幅杆主体为带圆锥过渡的阶梯轴，所述第三变幅杆直径较大的一端设置有第二螺纹孔，所述第二变幅杆和所述第三变幅杆的所述第二螺纹孔通过螺纹连接，使所述铽镝铁空心棒置于所述第二变幅杆和所述第三变幅杆之间。
12.进一步的，所述第一变幅杆、第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆、第一压电陶瓷、第二压电陶瓷、第三压电陶瓷、第四压电陶瓷、匹配块和压紧块的中心线在同一条直线上。
13.一种超声雾化变频喷头的设计方法，具体包括以下步骤：
14.步骤1、第三变幅杆与所述第二变幅杆之间通过所述第二螺纹孔螺纹连接后压紧铽镝铁空心棒，为铽镝铁空心棒提供预压应力，铽镝铁空心棒外部缠绕有线圈，线圈外接一个带有可变电阻的电路。通过调节接入线圈的电流，改变线圈产生的磁场大小；当铽镝铁空心棒周围磁场改变时，铽镝铁空心棒的弹性模量也会发生改变，进而改变铽镝铁空心棒的谐振频率；而两端自由细棒的纵振动的固有频率为：
[0015][0016]
式1中，e为细棒的弹性模量，ρ为细棒的密度，l为细棒的长度，n为正整数，当n＝1时，为自由纵振的基频，细棒的自由纵振的固有频率为基频的正整数倍；
[0017]
步骤2：基于频率方程：假设变截面杆是由均匀、各项同性材料所构成的，无机械损耗；当杆的横向尺寸远小于纵波波长时，可以认定平面纵波沿杆轴向运动，在杆的横截面上应力分布均匀；任一变截面杆，其对称轴为x轴，任选一小体积元(x,x+d所限定的区间)上的张应力为根据牛顿定律可以写出动力学方程
[0018][0019]
式2中，s＝s(x)为杆的横截面积函数；ξ＝ξ(x,t)为质点位移函数，为应力函数。
[0020]
在简谐振动的情况下，式2可表示为：
[0021][0022]
式3为变截面杆纵振动的波动方程。其中k为圆波数，ω为圆频率，为纵波在细棒中的传播速度。
[0023]
步骤3：设计简化后的等截面杆，s1为第一变幅杆的第二阶梯轴的较粗一端的横截面积，分别表示第一变幅杆的第二阶梯轴输入端的力和速度，分别表示第一变幅杆的第二阶梯轴输出端的力和速度。利用分离变量法可将第一变幅杆的第二阶梯轴的质点位移函数ξ(x,t)分解为空间函数和时间函数的乘积，即
[0024]
ξ(x,t)＝u(x)y(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0025]
式4中，u(x)为第一变幅杆的第二阶梯轴的振型函数，表征第一变幅杆的第二阶梯轴纵振状态，y(t)表征第一变幅杆的第二阶梯轴上某点的振动规律。将ξ(x,t)＝u(x)y(t)和代入式3，可以得到式3的解为：
[0026]
u(x)＝[a
1 cos(kx)+b
1 sin(kx)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0027][0028]
式5、式6中，e1为第一变幅杆的第二阶梯轴的弹性模量，a1、b1为待定系数，取决于边界条件
[0029]
边界条件为：
[0030][0031][0032][0033][0034]
而在谐振条件下，振动速度与位移相差π/2弧度，因此可得：
[0035][0036]
将式11代入式7、式8，可得：
[0037][0038][0039]
将a1、b1分别代入式9、式10，可得
[0040][0041][0042]
式14、式15种，z1＝s1ρ1c1是第一变幅杆的第二阶梯轴的特性力阻抗，ρ1为第一变幅杆的第二阶梯轴材料的密度，c1为声音在第一变幅杆的第二阶梯轴的传播速度。
[0043]
而式14、式15可以用带有集中参数的等效t形网络来表示，由基尔霍夫电压/电流定律可得
[0044][0045][0046]
利用待定系数法对比式14、式15、式16和式17，可以得出第一变幅杆的第二阶梯轴的等效t形网络的等效阻抗的表达式为：
[0047][0048][0049]
式18、式19中，z1＝s1ρ1c1表示第一变幅杆的第二阶梯轴的特性力阻抗，s1表示第一变幅杆的第二阶梯轴的截面积。ρ1表示第一变幅杆的第二阶梯轴的材料密度。c1表示声音在第一变幅杆的第二阶梯轴的传播速度。l1表示第一变幅杆的第二阶梯轴的长度。
[0050]
由于第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆直径较大的一端和第三变幅杆直径较小的一端均属于等截面杆，分析过程和第一变幅杆的第二阶梯轴类似,因此可将第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆直径较大的一端和第三变幅杆直径较小的一端的等效阻抗表示为：
[0051][0052][0053]
式20、式21中，zi＝siρ
ici
(i＝2,3,4,5)分别表示第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆直径较大的一端和第三变幅杆直径较小的一端的特性力阻抗，si(i＝2,3,4,5)分别表示第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆直径较大的一端和第三变幅杆直径较小的一端的截面积。ρi(i＝2,3,4,5)分别表示第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆直径较大的一端和第三变幅杆直径较小的一端的材料密度。ci(i＝2,3,4,5)分别表示声音在第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆直径较大的一端和第三变幅杆直径较小的一端的传播速度。li(i＝2,3,4,5)分别第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第三变幅杆直径较大的一端和第三变幅杆直径较小的一端的长度。
[0054]
步骤4：设计第一变幅杆主体简化后的变截面杆，为第一变幅杆主体左侧直径，为第一变幅杆主体右侧直径，分别表示第一变幅杆主体输入端的力和速度，
分别表示为第一变幅杆主体输出端的力和速度。为第一变幅杆主体左侧横截面积，为第一变幅杆主体右侧横截面积，第一变幅杆主体的面积函数为：
[0055][0056][0057]
式22、式23中，l6为第一变幅杆主体长度；
[0058]
利用分离变量法处理位移函数，同时将第一变幅杆主体的面积函数代入式3，可以得到式3的解为：
[0059][0060][0061]
式24、式25中，a6、b6为待定系数，取决于边界条件；
[0062]
边界条件为：
[0063][0064][0065][0066][0067]
其中，e6为第一变幅杆主体材料的弹性模量；
[0068]
而在谐振条件下，振动速度与位移相差π/2弧度，因此可得：
[0069][0070]
(30)
[0071]
将式30代入式26、式27，可得：
[0072]
[0073][0074]
将式31、式32代入式28、式29，可以得到两端面的力关于端面速度表达式：
[0075][0076][0077]
式33、式34中，为第一变幅杆主体输入端的特性力阻抗，为第一变幅杆主体输出端的特性力阻抗，ρ6为第一变幅杆主体的材料密度，c6为声音在第一变幅杆主体的传播速度，l6为第一变幅杆主体的长度。
[0078]
利用待定系数法对比式33、式34、式16和式17，可得第一变幅杆主体的等效t型网络的等效阻抗表达式为：
[0079][0080][0081][0082]
由于第三变幅杆的圆锥过渡部分属于圆锥杆，分析过程和第一变幅杆(5)主体类似,因此可将第三变幅杆的圆锥过渡部分的等效t型网络的等效阻抗表示为：
[0083][0084][0085][0086]
式38、式39和式40中，为第三变幅杆的圆锥过渡部分的特性力阻抗，为第三变幅杆的圆锥过渡部分输出端的特性力阻抗，ρ7为第三变幅杆的圆锥过渡部分的材料密度，c7为声音在第三变幅杆的圆锥过渡部分的传播速度，l7为第三变幅杆的圆锥过渡部分的长度。
[0087]
变幅杆的振动模型可以类比为图2的电路模型，当变幅杆两端自由时，f
out
＝f
in
＝0，等效电路的阻抗值
[0088][0089]
其中，其中，
[0090][0091]
而系统谐振时，等效电路电抗为0，所以
[0092][0093]
联立式43和ω＝kic，ω＝2πf，可得谐振频率f的表达式为：
[0094][0095]
将谐振频率fi从小到大排列，f1为第一谐振频率，也称为基频，其他谐振频率为f1的正整数倍。
[0096]
放大系数的表达式为：
[0097][0098]
相比现有技术，本发明产生的有益效果是：
[0099]
1、通过调节线圈电流，改变了铽镝铁空心棒周围的磁场，使铽镝铁的弹性模量达到给定值，实现了换能器的实时调频，使喷头能够在线改变雾滴直径，满足不同施药场景。
[0100]
2、铽镝铁磁致伸缩材料的响应速度快(微秒级)，能快速地实现换能器调频。
[0101]
3、铽镝铁磁致伸缩材料的δe效应显著，使变幅杆的频率调节范围大，可满足更多的生物最佳粒径，实现更复杂的作业任务。
[0102]
4、由于铽镝铁外部绕有多匝线圈，将铽镝铁置于变幅杆中段可以使质量分布更加合理，喷头旋转所需要的扭矩更小，能耗更低；铽镝铁磁致伸缩材料(tbxdy1-xfe2)在室温下的磁致伸缩值可达1.5
‰
，比目前广泛使用的压电陶瓷大8-10倍，能量密度大20-30倍。
附图说明
[0103]
图1为本发明所述的第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的等效t型网络电路图。
[0104]
图2为本发明所述的变频换能器的等效t型网络电路图。
[0105]
图3为本发明所述的变频换能器的结构示意图。
[0106]
图4为本发明所述的变频换能器中第一变幅杆的结构示意图。
[0107]
图5为本发明所述的变频换能器中第二变幅杆的结构示意图。
[0108]
图6为本发明所述的变频换能器中图5中b-b处的剖面结构示意图。
[0109]
图7为本发明所述的变频换能器中第三变幅杆的结构示意图。
[0110]
图8为本发明所述的变频换能器中图7中a-a处的剖面结构示意图。
[0111]
图9为本发明所述的变频换能器的谐振频率调节原理图。
具体实施方式
[0112]
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0113]
如图3所示，本发明提供的智能变频喷头，是一种工作频率可以实时调节的高适用性喷头，该喷头包括第一变幅杆1、铽镝铁空心棒2、线圈3、第二变幅杆4、第三变幅杆5、第一电极片6、第二电极片7、第三电极片8、第四电极片9、第五电极片10、匹配块11、压紧块12、第四压电陶瓷13、第三压电陶瓷14、第二压电陶瓷15、第一压电陶瓷16。
[0114]
所述的铽镝铁空心棒2采用铽镝铁合金，铽镝铁合金响应速度快(微秒级)、同时具有显著的δe效应，即材料周围磁场发生变化时，其杨氏模量变化范围也较大。通过调节所述铽镝铁空心棒2周围的磁场大小，改变所述铽镝铁空心棒2的杨氏模量，进而改变换能器的刚度，最终实现所述铽镝铁空心棒2的工作频率实时调节。
[0115]
所述线圈3缠绕在所述铽镝铁空心棒2外部，通过控制所述线圈3的电流改变所述铽镝铁空心棒2周围的磁场大小。
[0116]
所述线圈3为所述铽镝铁空心棒2提供偏置磁场并调节所述铽镝铁空心棒2的杨氏模量，依据所述铽镝铁空心棒2的δe效应，可根据使用场景所需的最佳生物粒径调节所述铽镝铁空心棒2的谐振频率，使形成的雾滴粒径达到最佳生物粒径的需要。
[0117]
图9所示，
[0118]
超声雾化的机理有两个主流的假说：毛细波假说和空化假说。
[0119]
毛细波假说是指在连续外部振荡的作用下，在液膜表面形成非常均匀的表面毛细波。表面毛细波由波峰和波谷组成。当振荡强度增加到一定幅度时，表面毛细波的波峰位置将与液体分离，发生雾化。
[0120]
空化假说中，假设在具有高频、高功率的振动系统中，当液膜受到声波影响时，空腔中会形成气泡。这些气泡随着声压的变化而增长和振荡，导致内部压力增加。在一定时间，当气泡到达液体表面时，由于巨大的内部和外部压力差，它们会破裂并产生强烈的冲击，导致周围的液体从液膜中喷出并发生雾化。
[0121]
毛细波假说中的子液滴平均直径的经验公式为：
[0122][0123]
式(1)中，f为超声发生器的激励频率，σ为液体的表面张力，ρ为液体的密度。
[0124]
而农药种类选定后，药液的表面张力σ、密度ρ均为确定值，因此，想要改变子液滴的平均直径，可以调节超声发生器的激励频率。
[0125]
而系统的谐振频率f与质量和刚度的关系式为：
[0126][0127]
式(2)中，k为系统的刚度，m为系统的质量。
[0128]
对圆柱体，系统的刚度k的表达式为：
[0129][0130]
式(3)中，e为系统的杨氏模量，a为截面积，l为长度。
[0131]
当铽镝铁所受磁场或者应力发生变化时，其杨氏模量将发生改变，铽镝铁的δe效应的数学表达式为：
[0132][0133]
式(4)中，δe为材料的杨氏模量的变化量，σ为材料所受正应力，ε
σ
为材料的弹性应变，ε
m0
为材料在初始偏置磁场作用下的磁弹性应变，ε
m1
为材料在变化后的磁场作用下的磁弹性应变。
[0134]
杨氏模量e表达式为：
[0135][0136]
式(2)中，l是材料变形前的长度，δl是变形后的伸长量。
[0137]
而弹性模量e是关于磁场强度h和应力的函数，目前只能通过实验的方法测量，并通过插值法得出经验公式。
[0138]
磁场强度h的公式为：
[0139][0140]
式(6)中，n为励磁线圈的匝数，i为通过励磁线圈的电流，le为有效磁路长度。
[0141]
因此，可以对实验数据进行函数拟合，得到铽镝铁杨氏模量e关于线圈电流i的拟合函数，从而可以通过控制电流大小对杨氏模量进行主动开环控制。
[0142]
逆压电效应：在压电晶体上加外电场后，压电晶体内部电极化状态会发生相应的变化，产生与外加电场强度成正比的应变情况。压电片厚度方向逆压电效应表达式为：
[0143][0144]
式(7)中s为沿厚度方向的伸缩应变；g为沿厚度方向的压电常数；u为沿厚度方向所加电压；t为压电片厚度。
[0145]
而将超磁致伸缩材料(铽镝铁)加装到变幅杆后，可以通过改变超磁致伸缩材料周围的磁场调节变幅杆的弹性模量，进而调节变幅杆的刚度，获取谐振频率可变的喷头，最终
实现雾滴粒径的实时调节。
[0146]
所述第一变幅杆5两端设置有第二阶梯轴5a和第一阶梯轴5b，所述第一变幅杆5中心线设置有第一通孔5d，所述第一阶梯轴5b轴肩设置有第一螺纹5c。
[0147]
所述第一电极片6、第一压电陶瓷16、第二电极片7、第二压电陶瓷15、第三电极片8、第三压电陶瓷14、第四电极片9、第四压电陶瓷13、第五电极片10、匹配块11和压紧块12从右至左依次设置。
[0148]
如图3-8所示，所述第一变幅杆5的第一阶梯轴5b从右至左依次穿过所述第一电极片6、第一压电陶瓷16、第二电极片7、第二压电陶瓷15、第三电极片8、第三压电陶瓷14、第四电极片9、第四压电陶瓷13、第五电极片10、匹配块11和压紧块12。
[0149]
所述压紧块12通过螺纹5c固定于所述第一变幅杆5的第一阶梯轴5b。
[0150]
如图2、图3、图4所示，所述第二变幅杆4直径较大一端设置有第一螺纹孔4b，所述第二变幅杆4中心线设置有第二通孔4a。所述第二变幅杆4通过所述螺纹孔4b与所述第一变幅杆5螺纹连接。
[0151]
如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，所述第三变幅杆1直径较大一端设置有第二螺纹孔1b，第三变幅杆1轴线上设置有第三通孔1a。所述第三变幅杆1与所述第二变幅杆4通过所述第二螺纹孔1b螺纹连接。
[0152]
所述第一电极片6、第二电极片7、第三电极片8、第四电极片9、第五电极片10接入交变电源后，所述第四压电陶瓷13、第三压电陶瓷14、第二压电陶瓷15、第一压电陶瓷16通过逆压电效应将电能转化为机械能，再通过所述第一变幅杆5、第二变幅杆4和第三变幅杆1放大振动幅度，再通过表面张力波和空化效应作用于药液，形成微米级的雾滴。
[0153]
当磁场强度继续增大时，超磁致伸缩材料的弹性模量不再减小，此时的磁场强度被称为饱和磁场强度。
[0154]
调节线圈3的电流大小，分别获取0、0.25、0.5、0.75和1倍的饱和磁场强度，分别用阻抗分析仪测量0、0.25、0.5、0.75和1倍饱和磁场强度下的换能器的谐振频率，记录为f0、f0.25、f0.5、f0.75、f1，并将电流分别记录为i0、i 0.25、i0.5、i0.75和i1。再用四次样条插值法求出插值函数，即f＝f(i)，用该函数拟合换能器谐振频率与电流大小的关系。在执行施药任务时，根据靶标植物的最佳生物粒径及子粒径经验公式计算出换能器工作谐振频率，并根据插值函数推出所需的电流，进而调节电路电流大小。再利用阻抗分析仪测量此时换能器的谐振频率，进而调节超声发生器的激励频率，如图7所示。
[0155]
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

技术特征：
1.一种超声雾化变频喷头，其特征在于：包括从右到左依次设置的第三变幅杆(1)、第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第一变幅杆(5)、匹配块(11)和压紧块(12)；其中匹配块(11)与所述第一变幅杆(5)之间从右到左依次设有第一电极片(6)、第一压电陶瓷(16)、第二电极片(7)、第二压电陶瓷(15)、第三电极片(8)、第三压电陶瓷(14)、第四电极片(9)、第四压电陶瓷(1)和第五电极片(10)；所述铽镝铁空心棒(2)采用铽镝铁合金；线圈(3)缠绕铽镝铁空心棒(2)的外侧；所述第一电极片(6)、第二电极片(7)、第三电极片(8)、第四电极片(9)、第五电极片(10)接入交变电源后，所述第四压电陶瓷(13)、第三压电陶瓷(14)、第二压电陶瓷(15)、第一压电陶瓷(16)通过逆压电效应将电能转化为机械能，再通过所述第一变幅杆(5)、第二变幅杆(4)和第三变幅杆(1)放大振动幅度，通过表面张力波和空化效应作用于药液，形成微米级的雾滴。2.根据权利要求1所述的一种超声雾化变频喷头，其特征在于：所述第一变幅杆(5)、第二变幅杆(4)和第三变幅杆(1)外侧长度相等。3.根据权利要求1所述的一种超声雾化变频喷头，其特征在于：所述第一变幅杆(5)主体为一圆台，沿其中心线在设有第一通孔(5d)；所述第一变幅杆(5)的两端分别设置有第二阶梯轴(5a)和第一阶梯轴(5b)；所述第一阶梯轴(5b)的一端从右至左依次穿过所述第一电极片(6)、第一压电陶瓷(16)、第二电极片(7)、第二压电陶瓷(15)、第三电极片(8)、第三压电陶瓷(14)、第四电极片(9)、第四压电陶瓷(13)、第五电极片(10)和匹配块(11)，并最终与压紧块(12)连接。4.根据权利要求2所述的一种超声雾化变频喷头，其特征在于：所述第一阶梯轴(5b)的轴肩设置有第一螺纹(5c)；所述压紧块(12)通过第一螺纹(5c)固定于第一阶梯轴(5b)上。5.根据权利要求1所述的一种超声雾化变频喷头，其特征在于：所述第二变幅杆(4)主体为一阶梯轴，在其直径较大的一端设置有第一螺纹孔(4b)，所述第二变幅杆(4)的中心线设置有第二通孔(4a)；所述第二变幅杆(4)通过所述第一螺纹孔(4b)与所述第一变幅杆(5)螺纹连接。6.根据权利要求1所述的一种超声雾化变频喷头，其特征在于：所述第三变幅杆(1)主体为带圆锥过渡的阶梯轴，在其直径较大的一端设置有第二螺纹孔(1b)，第三变幅杆(1)的中心轴线上设置有第三通孔(1a)；所述第三变幅杆(1)与所述第二变幅杆(4)之间通过所述第二螺纹孔(1b)螺纹连接。7.一种超声雾化变频喷头的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、第三变幅杆(1)与所述第二变幅杆(4)之间通过所述第二螺纹孔(1b)螺纹连接后压紧铽镝铁空心棒(2)，为铽镝铁空心棒(2)提供预压应力，铽镝铁空心棒(2)外部缠绕有线圈(3)，线圈(3)外接一个带有可变电阻的电路。通过调节接入线圈(3)的电流，改变线圈(3)产生的磁场大小；当铽镝铁空心棒(2)周围磁场改变时，铽镝铁空心棒(2)的弹性模量也会发生改变，进而改变铽镝铁空心棒(2)的谐振频率；而两端自由细棒的纵振动的固有频率为：式1中，e为细棒的弹性模量，ρ为细棒的密度，l为细棒的长度，n为正整数，当n＝1时，
为自由纵振的基频，细棒的自由纵振的固有频率为基频的正整数倍；步骤2：基于频率方程：假设变截面杆是由均匀、各项同性材料所构成的，无机械损耗；当杆的横向尺寸远小于纵波波长时，可以认定平面纵波沿杆轴向运动，在杆的横截面上应力分布均匀；任一变截面杆，其对称轴为x轴，任选一小体积元(x,x+d所限定的区间)上的张应力为根据牛顿定律可以写出动力学方程式2中，s＝s(x)为杆的横截面积函数；ξ＝ξ(x,t)为质点位移函数，为应力函数。在简谐振动的情况下，式2可表示为：式3为变截面杆纵振动的波动方程。其中k为圆波数，ω为圆频率，为纵波在细棒中的传播速度。步骤3：设计简化后的等截面杆，s1为第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的较粗一端的横截面积，分别表示第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)输入端的力和速度，分别表示第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)输出端的力和速度。利用分离变量法可将第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的质点位移函数ξ(x,t)分解为空间函数和时间函数的乘积，即ξ(x,t)＝u(x)y(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式4中，u(x)为第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的振型函数，表征第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)纵振状态，y(t)表征第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)上某点的振动规律。将ξ(x,t)＝u(x)y(t)和代入式3，可以得到式3的解为：u(x)＝[a
1 cos(kx)+b
1 sin(kx)]
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(5)式5、式6中，e1为第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的弹性模量，a1、b1为待定系数，取决于边界条件边界条件为：边界条件为：边界条件为：
而在谐振条件下，振动速度与位移相差π/2弧度，因此可得：将式11代入式7、式8，可得：将式11代入式7、式8，可得：将a1、b1分别代入式9、式10，可得分别代入式9、式10，可得式14、式15种，z1＝s1ρ1c1是第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的特性力阻抗，ρ1为第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)材料的密度，c1为声音在第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的传播速度。而式14、式15可以用带有集中参数的等效t形网络来表示，由基尔霍夫电压/电流定律可得可得利用待定系数法对比式14、式15、式16和式17，可以得出第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的等效t形网络的等效阻抗的表达式为：(5a)的等效t形网络的等效阻抗的表达式为：式18、式19中，z1＝s1ρ1c1表示第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的特性力阻抗，s1表示第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的截面积。ρ1表示第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的材料密度；c1表示声音在第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的传播速度。l1表示第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)的长度。由于第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第三变幅杆(1)直径较大的一端和第三变幅杆(1)直径较小的一端均属于等截面杆，分析过程和第一变幅杆(5)的第二阶梯轴(5a)类似,因此可将第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第三变幅杆(1)直径较大的一端和第三变幅杆(1)直径较小的一端的等效阻抗表示为：
式20、式21中，z
i
＝s
i
ρ
i
c
i
(i＝2,3,4,5)分别表示第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第三变幅杆(1)直径较大的一端和第三变幅杆(1)直径较小的一端的特性力阻抗，s
i
(i＝2,3,4,5)分别表示第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第三变幅杆(1)直径较大的一端和第三变幅杆(1)直径较小的一端的截面积。ρ
i
(i＝2,3,4,5)分别表示第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第三变幅杆(1)直径较大的一端和第三变幅杆(1)直径较小的一端的材料密度。c
i
(i＝2,3,4,5)分别表示声音在第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第三变幅杆(1)直径较大的一端和第三变幅杆(1)直径较小的一端的传播速度。l
i
(i＝2,3,4,5)分别第二变幅杆(4)、铽镝铁空心棒(2)、第三变幅杆(1)直径较大的一端和第三变幅杆(1)直径较小的一端的长度；步骤4：设计第一变幅杆(5)主体简化后的变截面杆，为第一变幅杆(5)主体左侧直径，为第一变幅杆(5)主体右侧直径，分别表示第一变幅杆(5)主体输入端的力和速度，分别表示为第一变幅杆(5)主体输出端的力和速度；为第一变幅杆(5)主体左侧横截面积，为第一变幅杆(5)主体右侧横截面积，第一变幅杆(5)主体的面积函数为：的面积函数为：式22、式23中，l6为第一变幅杆(5)主体长度；利用分离变量法处理位移函数，同时将第一变幅杆(5)主体的面积函数代入式3，可以得到式3的解为：得到式3的解为：式24、式25中，a6、b6为待定系数，取决于边界条件；边界条件为：边界条件为：
其中，e6为第一变幅杆(5)主体材料的弹性模量；而在谐振条件下，振动速度与位移相差π/2弧度，因此可得：将式30代入式26、式27，可得：将式30代入式26、式27，可得：将式31、式32代入式28、式29，可以得到两端面的力关于端面速度表达式：将式31、式32代入式28、式29，可以得到两端面的力关于端面速度表达式：式33、式34中，为第一变幅杆(5)主体输入端的特性力阻抗，为第一变幅杆(5)主体输出端的特性力阻抗，ρ6为第一变幅杆(5)主体的材料密度，c6为声音在第一变幅杆(5)主体的传播速度，l6为第一变幅杆(5)主体的长度。利用待定系数法对比式33、式34、式16和式17，可得第一变幅杆(5)主体的等效t型网络的等效阻抗表达式为：的等效阻抗表达式为：的等效阻抗表达式为：由于第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分属于圆锥杆，分析过程和第一变幅杆(5)主体类似,因此可将第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分的等效t型网络的等效阻抗表示为：似,因此可将第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分的等效t型网络的等效阻抗表示为：似,因此可将第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分的等效t型网络的等效阻抗表示为：
式38、式39和式40中，为第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分的特性力阻抗，为第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分输出端的特性力阻抗，ρ7为第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分的材料密度，c7为声音在第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分的传播速度，l7为第三变幅杆(1)的圆锥过渡部分的长度。当变幅杆两端自由时，f
out
＝f
in
＝0，等效电路的阻抗值其中，其中，而系统谐振时，等效电路电抗为0，所以联立式43和ω＝k
i
c，ω＝2πf，可得谐振频率f的表达式为：将谐振频率f
i
从小到大排列，f1为第一谐振频率，也称为基频，其他谐振频率为f1的正整数倍。放大系数的表达式为：放大系数的表达式为：至此，得出了超声雾化变频喷头的工作频率f和放大系数g的计算公式，可根据实际使用需求，利用所需的工作频率f和放大系数g选定合适的变幅杆材料、长度和截面积函数，完成超声雾化变频喷头的设计任务。

技术总结
本发明提供一种超声雾化变频喷头及设计方法，包括依次设置的第三变幅杆、第二变幅杆、铽镝铁空心棒、第一变幅杆、匹配块和压紧块；其中匹配块与所述第一变幅杆之间从右到左依次设有第一电极片、第一压电陶瓷、第二电极片、第二压电陶瓷、第三电极片、第三压电陶瓷、第四电极片、第四压电陶瓷和第五电极片；线圈缠绕铽镝铁空心棒的外侧；第一电极片、第二电极片、第三电极片、第四电极片、第五电极片接入交变电源后，第四压电陶瓷、第三压电陶瓷、第二压电陶瓷、第一压电陶瓷通过逆压电效应将电能转化为机械能，通过所述第一变幅杆、第二变幅杆和第三变幅杆放大振动幅度，通过表面张力波和空化效应作用于药液，形成微米级的雾滴。形成微米级的雾滴。形成微米级的雾滴。


技术研发人员：叶凯强 徐幼林 郭长皓 鸦明胜 孙鑫
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/23