一种高频功率超声科学演示装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及高频超声技术领域，尤其涉及一种高频功率超声科学演示装置。


背景技术：

[0002]
高频功率超声位于超声波的较高频段，它主要是应用超声波的能量而非信号。高频功率超声在液体中传播的时候有许多鲜为人知的物理效应，比如高频功率超声可以快速推动液体宏观流动，可以高效加热高粘液体，甚至可以改变液体中溶质或颗粒物的浓度等等，它们在生产生活中有许多潜在的应用，但这些物理效应的演示一直没有专门的装置，临时搭建的演示装置一般只能演示一种物理效应，不能展示高频功率超声的全貌，这些都不便于高频功率超声的科学普及和应用宣传。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的缺陷。
[0004]
为了达到上述目的，本实用新型公开了一种高频功率超声科学演示装置，包括：超声加热子装置、超声雾化子装置、雾化收集子装置和至少一个超声水泵。其中，超声加热子装置包括第一容器和设置于容器内的至少一个超声加热器；超声雾化子装置包括第二容器和设置于第二容器底部的至少一个第一超声换能器；雾化收集子装置包括集雾器和集液器；超声水泵包括流体腔和设置于流体腔上的至少一个第二超声换能器；第一容器、第二容器和集液器通过超声水泵或输液管相连，通过超声水泵或输液管形成连通第一容器、第二容器和集液器之间的水路。
[0005]
展示过程中，超声加热子装置用于通过超声加热器加热第一容器内的液体，演示超声加热现象；超声雾化子装置用于通过激发第一超声换能器使第二容器内的液体表面形成超声喷泉和超声雾化；集雾器用于收集超声雾化子装置进行超声雾化时产生的水雾，还用于将收集的水雾汇聚入集液器；超声水泵用于通过激发第二超声换能器使流体腔内形成自腔体入水口至腔体出水口的水流，演示超声声流现象。
[0006]
在一个可能的实施例中，超声雾化子装置还包括设置于第二容器侧壁的至少一个第三超声换能器；用于通过激发第三超声换能器使第二容器内的液体产生超声声流，基于超声声流实现第二容器内液体的超声掺混。
[0007]
本实用新型实施例的优点在于：本演示装置可以同时演示超声喷泉、超声雾化、超声声流、超声水泵、超声加热、超声溶质分离等多种高频功率超声的物理效应，让公众方便快速的对高频功率超声的物理效应和潜在应用形成直观的认知，可应用于科技馆、展示厅等科普场所，也可以应用于学校的教学和锻炼学生动手能力的训练。
附图说明
[0008]
图1为本实用新型实施例的第一种高频功率超声科学演示装置的连接关系示意图；
[0009]
图2为本实用新型实施例的第二种高频功率超声科学演示装置的连接关系框图；
[0010]
图3为本实用新型实施例的第三种高频功率超声科学演示装置的连接关系框图；
[0011]
图4为本实用新型实施例的超声加热器剖视图；
[0012]
图5为本实用新型实施例的第二容器俯视剖视图；
[0013]
图6为本实用新型实施例的超声水泵侧视剖视图；
[0014]
图7为本实用新型实施例的雾化收集子装置结构示意图；
[0015]
图8为本实用新型实施例的集雾板结构示意图；
[0016]
图9为本实用新型实施例的一种高频功率超声科学演示装置的示意图。
具体实施方式
[0017]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0018]
为便于对本实用新型实施例的理解，下面通过附图和实施例，对本实用新型实施例的技术方案做进一步的详细描述，实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。
[0019]
为同时演示超声喷泉、超声雾化、超声声流、超声水泵、超声加热、超声溶质分离等多种高频功率超声的物理效应。本实用新型实施例提出了一种高频功率超声科学演示装置，包括超声加热子装置110、超声雾化子装置120、雾化收集子装置130和至少一个超声水泵140。其中，超声加热子装置110包括第一容器111和设置于容器内的至少一个超声加热器112；通过超声加热器112加热第一容器111内的液体，实现超声加热；超声雾化子装置120包括第二容器121和设置于第二容器底部的至少一个第一超声换能器122；通过激发第一超声换能器122辐射高频声波，使第二容器121内的液体表面形成超声喷泉和超声雾化，雾化液滴通过高频声波引起的空化效应产生；雾化收集子装置130包括集雾器131和集液器132，集雾器131用于收集超声雾化产生的水雾，还用于将收集的水雾汇聚入集液器132；至少一个超声水泵140包括流体腔141和设置于流体腔上的至少一个第二超声换能器142；通过第二超声换能器142产生的声流效应使流体腔141内形成自腔体入水口141a至腔体出水口141b的水流。
[0020]
图1为本实用新型实施例的第一种高频功率超声科学演示装置的连接关系示意图。如图1所示，该演示装置设置于演示台上，超声加热子装置110位于超声雾化子装置120的竖直方向的上方，且第一容器111的底面高于第二容器121的顶面。第一容器111与第二容器121通过输液管150连接，使第一容器111中的液体可通过重力流入第二容器121。腔体入水口141a连接第二容器121，腔体出水口141b连接第一容器111，用于将第二容器121中的液体输送至第一容器111中。集雾器131装置于第二容器121的顶面，收集第二容器121中液体超声雾化产生的水雾，并将水雾汇聚入集液器132。
[0021]
图2为本实用新型实施例的第二种高频功率超声科学演示装置的连接关系框图。如图2所示，该演示装置设置于演示台上，超声加热子装置110位于超声雾化子装置120的竖直方向的下方，且第二容器121的底面高于第一容器111的顶面。第一容器111与第二容器
121通过输液管150连接，使第二容器121中的液体可通过重力流入第一容器111。腔体入水口141a连接第一容器111，腔体出水口141b连接第二容器121，用于将第一容器111中的液体输送至第二容器121中。集雾器131装置于第二容器121的顶面，收集第二容器121中液体超声雾化产生的水雾，并将水雾汇聚入集液器132。
[0022]
图3为本实用新型实施例的第三种高频功率超声科学演示装置的连接关系框图。如图3所示，该演示装置设置于演示台上。腔体入水口141a连接集液器132，腔体出水口141b连接第一容器111和第二容器121，用于将集液器132中的液体输送至第一容器111和第二容器121中。集雾器131装置于第二容器121的顶面，收集第二容器121中液体超声雾化产生的水雾，并将水雾汇聚入集液器132。
[0023]
在更多的各容器连接方案中，超声水泵140作为连通各容器的水流通路，可以设置一个或多个超声水泵140连接第一容器111、第二容器121和集液器132可能存在多种连接关系，图1-图3中仅示出了3种连接情况，本领域技术人员可以根据实际需要进行相应设置。
[0024]
第一容器111、第二容器121和集液器132间通过超声水泵140或输液管150实现连通，可在超声水泵140和输液管150构成的水流通路上设置开关阀，用于进一步控制水流通路的关断与导通，以及第一容器111、第二容器121和集液器132内部的储水量。
[0025]
第一容器111、第二容器121和集液器132中可以设置温度计，用于实时采集容器内液体温度。
[0026]
第一容器111、第二容器121和集液器132中可以设置溶质浓度检验装置，用于实时检测容器内溶质浓度。例如，通过超声雾化子装置120对无机溶液，有机溶液或含有颗粒物的溶液进行超声雾化展示，再通过雾化收集子装置130收集雾化液滴到集液器132中，使集液器132中通过超声雾化处理的液体溶质或颗粒物的含量相对于第二容器131中的溶液发生变化。
[0027]
图4为本实用新型实施例的超声加热器剖视图。如图4所示，超声加热器112为立方体结构，包括与换能器具有耦合匹配功能的密闭壳体112a，以及壳体内部装置的加热用换能器112b。加热用换能器112b的辐射面朝向密闭壳体112a的外部。工作过程中，将超声加热器112没入流体中，通过激发加热用换能器112b，使其向流体发射超声波，进而将声能转换为流体内的热能，使流体温度升高。
[0028]
另一种可行的超声加热器，可以在如图4所示的密闭壳体112a上进行开孔，这种情况下不限定密闭壳体具有与换能器的耦合匹配功能，壳体内置的加热用换能器的辐射面对应壳体上的开孔朝向壳体外部，即辐射面露出。进一步地采用胶圈密封壳体开孔，使超声加热器形成密闭结构。
[0029]
超声雾化子装置120产生雾化的方法不限于超声法，也可以采用高速射流法。
[0030]
超声雾化子装置120还可以用于进行超声掺混的演示。具体地，可以在其侧壁上设置第三超声换能器，通过第三超声换能器推动水流在第二容器121中实现超声掺混。
[0031]
图5为本实用新型实施例的第二容器俯视剖视图。如图5所示，第二容器121的侧壁包括圆形侧壁121a，以及用于设置第三超声换能器123的凸起121b。凸起121b为直角结构，第一直角边121b1与圆形侧壁121a相切，第二直角边121b2垂直于第一直角边121b1。在第二直角边121b2上设置第三超声换能器123，通过激发第三超声换能器123可产生与第二容器121相切方向的声能，进而使得第二容器121中的液体形成与声能同向的水流能，在水流能
的带动下，第二容器121中的液体将沿着弧形侧壁121a在第二容器121中形成顺时针的涡流。
[0032]
需要说明，通过改变凸起121b以及第三超声换能器123的位置关系，也可使第二容器121中形成逆时针的涡流。
[0033]
超声水泵140通过激发其内部的第二超声换能器142产生超声波，超声波作用于流体腔141内的流体，使流经流体腔141中的流体接收超声波。
[0034]
超声水泵140可分为换能器内置型和换能器外附型两种结构。
[0035]
以换能器内置型超声水泵为例，如图6所示。经过防水处理的第二超声换能器142包括压电片142a和密封结构142b。第二超声换能器142内置于流体腔141中，且辐射面垂直于腔体入水口141a和腔体出水口141b形成的水流通路。辐射面与流体直接接触，辐射面将第二超声换能器142产生的超声波传送给流体腔141内的流体；流经流体腔中的流体接收辐射面传递的超声波，在流体内部产生垂直于第二超声换能器142的声流，推动流体从流体腔141的出口流出。
[0036]
如采用换能器外置型的超声水泵，则流体腔141需要具有与换能器耦合匹配功能，此处不再赘述。还可以设置第二超声换能器142的防水外罩，用以防止换能器进水漏电。
[0037]
为方便超声水泵140与其他装置的连接或自身进行多级串并联，腔体入水口141a和腔体出水口141b处可分别设置便于连接的内/外螺纹。通过组合多个超声水泵140构成水泵组，可以有效地增加水泵的扬程和/或流量。
[0038]
超声加热器112、第一超声换能器122、第二超声换能器142和第三超声换能器123可以分别设置相应的开关控制器，用于分别控制各换能器的启停。实现整体装置的模块化控制，用于展示各种超声现象。
[0039]
雾化收集子装置130中的集雾器131可以采用无动力的集雾板，也可以采用采集器配合动力风机。
[0040]
图7为本实用新型实施例的雾化收集子装置结构示意图。如图7所示，集雾器131包括采集器1311、风机1312和风管1313。采集器1311的一端的采集口1311a朝向待收集的水雾，另一端连接风机1312，并通过风机1312与风管1313相连，使采集到的的水雾通过风管输送至集液器132。
[0041]
图8为本实用新型实施例的一种集雾板结构示意图。如图8所示，集雾器131为由密集排列的等边三角凸起构成的集雾板。其中，等边三角凸起构成的中心向外突出形成凸起，位于集雾板边缘区域的等边三角凸起结构存在至少一条边与另一等边三角凸起结构的边相连；位于集雾板非边缘区域的等边三角凸起结构的三条边，分别与与其相邻的三个等边三角凸起结构的边相连。采用集雾板作为集雾器131使整个装置名副其实完全由高频超声驱动。集雾板整体呈三角形，当集雾板的等边三角凸起结构竖直方向向下摆放时，凸起的尖端位置相对较低，用于汇聚收集到的水雾，通过调整集雾板与水平方向的夹角，控制收集到的水雾形成的水滴在集雾板上的汇流位置，使其流入集液器132。实际应用中，集雾板的长度及形状也可根据用户的具体需求自行设计，不限于等边三角形。
[0042]
在一个具体实施例中，采用如图1所示示意图中各子装置的位置关系搭建演示装置。具体地演示装置示意图，如图9所示。演示装置包括：超声加热子装置、超声雾化子装置、雾化收集子装置和超声水泵组。
[0043]
具体地，超声加热子装置包括第一容器111，以及设置于容器内的超声加热器112和温度计160。超声雾化子装置包括第二容器121，以及设置于第二容器底部的第一超声换能器122、设置于第二容器侧壁的第三超声换能器123和设置于第二容器内的温度计160；其中，第二容器侧壁上以侧壁圆周的四等分设置了4组第三超声换能器组，每组第三超声换能器组包括两个第三超声换能器123。雾化收集子装置包括由采集器1311、风机1312和风管1313组成的集雾器和集液器132；采集器1311的一端的采集口1311a朝向待收集的水雾，另一端连接风机1312，并通过风机1312与风管1313相连，使采集到的的水雾通过风管输送至集液器132。超声水泵组由三个超声水泵组成，三个超声水泵首尾相接，每个超声水泵包括流体腔141，以及设置于流体腔上的第二超声换能器142(图中未示出)、腔体入水口141a和腔体出水口141b。连接后位于超声水泵组一端的腔体入水口141a通过输液管150连接第二容器121，连接后位于超声水泵组另一端的腔体出水口141b通过输液管150连接第一容器111。第一容器111的底部设置出水口，并连接有输液管150的一端，输液管150的另一端连通第二容器121。第一容器111中的液体在重力作用下通过输液管150流入第二容器121。
[0044]
超声加热器112、第一超声换能器122、第二超声换能器142和第三超声换能器123分别设置相应的开关控制器，用于分别控制各换能器的启停。可以单独演示某一个物理效应，也可同时演示所有的物理效应。优选的，各超声换能器的工作频率为50khz-50mhz。
[0045]
演示过程中，演示装置可以理解为两个环路。
[0046]
左侧包括超声加热子装置、超声雾化子装置和超声水泵的是水环路，以超声水泵为驱动力。具体地，以超声加热子装置展示超声加热现象；以超声水泵展示超声声流现象。
[0047]
右侧包括超声雾化子装置和雾化收集子装置的是气环路，以风机为主要驱动力。具体的，以超声雾化子装置和雾化收集子装置配合展示超声溶质分离现象。
[0048]
中间的超声雾化子装置主要演示超声声流、超声喷泉和超声雾化和超声掺混现象。
[0049]
进一步的，超声雾化子装置所产生的超声喷泉还可演示超声热释放现象，具体方法为启动第一超声换能器122后在第二容器121中产生超声喷泉。将一低导热系数材料薄板置于超声喷泉上方，但应控制在超声喷泉能到达最远距离之内，可在板面上观察到熔断点。
[0050]
演示过程还需要注意以下几点：
[0051]
1、打开各换能器的时候要确保对应的容器中有足量的液体，即没过换能器的深度或符合换能器启动需要的深度。
[0052]
2、第二容器121底部的第一超声换能器122为了产生超声喷泉和雾化，需要第二容器121中液体的液位高度需要满足产生超声喷泉或超声雾化现象的阈值，具体地液位高度与第一超声换能器122的频率、功率等参数相关。进一步地，能否成功展示相应的物理现象也与第二容器121的材质相关。根据第二容器121的材料计算合适的容器壁厚度，以便超声波可以高效的穿透容器壁进入液体。对于第一超声换能器122也可以通过在底部打孔，外围胶圈密封的方式进行，这样换能器的辐射面与液体直接接触，辐射效率更高。还可以将换能器的背面进行防水密封，直接浸没在液体中也可以。上述针对于第一超声换能器122的设计也同样适用于第三超声换能器123。
[0053]
3、超声水泵串联数越多，其扬程和流量越大，具体采用多少级串联与目标到达的容器的高度有关，需要根据具体情况进行调节。超声水泵不限于声流式超声水泵，也可以采
用压电泵。压电泵同样利用超声换能器，但其原理不是声流，而是结构变形产生推力，可以用于展示相应的声学物理现象。
[0054]
4、超声加热器112浸没在第一容器111中，工作过程中一方面需要避免内部进水。可以通过防水的穿线管，也可以通过胶密封的方式实现。另一方面需要注意避免过热，使超声加热器112高温失效。
[0055]
5、关于溶质分离的演示，首先要选择适当的液体。比如掺水的酒精，超声雾化后的雾滴中的酒精浓度与原来的液体不同，收集后的液体自然与原来的液体的酒精浓度有变化，也就是说雾化能改变溶质的浓度或者说使溶质和溶剂分离，比如改变盐水的浓度，甚至还可以改变颗粒物的浓度。如果原来的液体中有分布有微粒，通过超声雾化，收集的液体中的微粒浓度也将发生变化
[0056]
本实用新型提供了一种高频功率超声科学演示装置。可以同时演示超声喷泉、超声雾化、超声声流、超声水泵、超声加热、超声溶质分离等多种高频功率超声的物理效应的装置，能够让公众对高频功率超声的物理效应形成直观认知，该装置完全由高频功率超声驱动，采用模块化设计，既可实现两个环路的自主运行，也可改动或去除某些部件，进行单一或多种高频功率超声的物理效应的演示。
[0057]
以上的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除