專利名稱：包括陶瓷喇叭的超聲能量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)。更具體地，涉及具有陶瓷喇叭的超聲能量系統(tǒng)和方法，用于在惡劣環(huán)境如高溫和/或腐蝕環(huán)境下長(zhǎng)期傳輸超聲能量。
背景技術(shù)：
超聲學(xué)是超出可聽頻率的聲音振動(dòng)作用的學(xué)科。高能超聲應(yīng)用的目的是在被處理的材料中帶來一些物理變化。這種處理要求每單位面積或體積的振動(dòng)能量流。根據(jù)該應(yīng)用，產(chǎn)生的能量密度可以從每平方厘米低于1瓦特到幾千瓦特。在這一點(diǎn)上，超聲有很多種應(yīng)用，如材料焊接或切割。
與具體申請(qǐng)無關(guān)，超聲設(shè)備或系統(tǒng)本身通常包括換能器、升壓器、波導(dǎo)管、和喇叭。這些部件通常結(jié)合在一起統(tǒng)稱為“喇叭堆?！?。換能器將電源提供的電能轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)。
升壓器放大或調(diào)節(jié)換能器的振動(dòng)輸出。波導(dǎo)管將放大的振動(dòng)從升壓器傳輸?shù)嚼?，并提供用于安裝喇叭的適當(dāng)?shù)拿娣e。特別是，波導(dǎo)管部件通常用于設(shè)計(jì)目的，用來減小到換能器的熱量傳輸，并從聲學(xué)和加工的角度優(yōu)化喇叭堆棧的性能。但是，波導(dǎo)管不是必需的部件并且不總是被使用。而是經(jīng)常直接將喇叭連接到升壓器。
喇叭是一種聲學(xué)工具，其長(zhǎng)度通常為1/2喇叭材料波長(zhǎng)的整數(shù)倍，并且通常由用來將機(jī)械振動(dòng)能量傳輸?shù)剿钁?yīng)用點(diǎn)的例如鋁、鈦或鋼構(gòu)成。喇叭位移或振幅是喇叭表面的峰到峰移動(dòng)。
喇叭輸出振幅與喇叭輸入振幅的比率稱為“增益”。增益是在振動(dòng)輸入和輸出部分喇叭質(zhì)量比的函數(shù)。
通常，在喇叭中，喇叭表面的振幅的方向與施加的機(jī)械振動(dòng)方向相同。
根據(jù)具體應(yīng)用，喇叭可以假定有多種形狀，包括簡(jiǎn)單的圓柱形、卷筒形、鐘形、塊形、條形等。此外，喇叭的前部(或“頂部”)具有不同于喇叭體其余部分的尺寸和/或形狀。在某些結(jié)構(gòu)中，喇叭頂部可以是可更換的部件。在貫穿本說明書中所使用的術(shù)語“喇叭”包括均勻成型的喇叭以及形成一個(gè)明顯的喇叭頂部的喇叭結(jié)構(gòu)。最后，對(duì)于某些應(yīng)用例如超聲切割和焊接，設(shè)置附加的砧部件。但無論如何，超聲喇叭結(jié)構(gòu)和材料成分相對(duì)地標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于多數(shù)超聲應(yīng)用，公認(rèn)的喇叭材料鋁、鈦和鋼非?？尚械?，其原材料選擇標(biāo)準(zhǔn)為所需工作頻率。被施加以超聲能量的材料處于室溫下并且是相對(duì)惰性的，從而，喇叭磨損，如果有的話，是最小的。但是，對(duì)于某些超聲應(yīng)用，喇叭磨損可能增大。尤其是喇叭工作在劇烈環(huán)境下(例如，腐蝕和/或高溫)，公認(rèn)的喇叭材料可能無法提供滿意的結(jié)果。例如，超聲能量通常用于將流體介質(zhì)滲透到工件內(nèi)。纖維加強(qiáng)金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線的生產(chǎn)就是這樣一個(gè)例子，其中一束纖維被浸泡在熔融的金屬中(例如，鋁基熔融金屬)。聲波引入到熔融金屬(通過浸入其中的超聲喇叭)，使熔融金屬滲透纖維束，由此產(chǎn)生金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線。熔融鋁代表極端惡劣的環(huán)境，即非常熱(大約700℃)又具化學(xué)腐蝕性。
在這種惡劣條件下，鈦和鋼喇叭將很快損壞。其他可用的金屬基喇叭結(jié)構(gòu)僅提供標(biāo)稱的工作壽命改善。
例如，金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線生產(chǎn)商通常使用一系列鈮-鉬合金(至少4.5％的鉬)制造喇叭。即使通過這種更嚴(yán)格的材料選擇，在需要重新加工之前鈮基喇叭在熔融鋁中具有有限的工作壽命。此外，在其“第一次”壽命即將結(jié)束時(shí)，鈮合金變得不穩(wěn)定，有可能引起意料不到工藝問題。此外，鈮-鉬合金喇叭的形成需要精確、冗長(zhǎng)和昂貴的鑄造、熱加工、和最終機(jī)械加工操作?？紤]到這些和其他材料的高成本，鈮(及其合金)和其他公認(rèn)的喇叭材料對(duì)于惡劣環(huán)境超聲應(yīng)用不是最佳的。
超聲設(shè)備有利地用在多種應(yīng)用中。對(duì)于某種設(shè)備，但是，超聲喇叭工作的劇烈環(huán)境致使當(dāng)前的喇叭材料沒有經(jīng)濟(jì)效果。因此，需要一種超聲能量系統(tǒng)，尤其是超聲喇叭，適于在極端工作條件下提供長(zhǎng)期性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面涉及用于施加振動(dòng)能量的聲音系統(tǒng)，包括連接到超聲能量源的喇叭。至少喇叭前部由陶瓷材料制成。更具體地，喇叭限定了整體長(zhǎng)度和波長(zhǎng)。陶瓷材料前部長(zhǎng)度至少是1/8喇叭波長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，喇叭整體是一種陶瓷材料，并通過過盈配合被安裝到一單獨(dú)部件，如波導(dǎo)管。無論如何，通過對(duì)至少喇叭前部使用陶瓷材料，本發(fā)明的超聲系統(tǒng)有利于長(zhǎng)時(shí)間工作在極端環(huán)境，如高溫和/或腐蝕性流體介質(zhì)。例如，當(dāng)施加振動(dòng)能量到高腐蝕性和熔融金屬介質(zhì)尤其是熔融鋁時(shí)，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)陶瓷基喇叭如SiN4、硅鋁氧氮陶瓷、Al2O3，SiC，TiB2等，事實(shí)上不具有化學(xué)反應(yīng)性。
本發(fā)明另一方面涉及在流體介質(zhì)中施加超聲能量的方法，并包括提供流體介質(zhì)，并將超聲能量源連接到喇叭至少1/8波長(zhǎng)處，該部分為陶瓷材料。至少一部分喇叭浸入流體介質(zhì)。為此，構(gòu)成喇叭使得其浸入部分全部由陶瓷材料制成。最后，操作超聲能量源使得喇叭傳輸超聲能量到流體介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，流體介質(zhì)是腐蝕性的并具有至少500℃的溫度，并且該方法的特征在于至少100小時(shí)的超聲能量傳輸而不更換喇叭。
本發(fā)明另一方面涉及制造連續(xù)復(fù)合導(dǎo)線的方法。該方法包括提供一定量的溫度至少600℃的熔融金屬基質(zhì)材料。包括大量實(shí)質(zhì)連續(xù)的纖維的束浸入到一定量的熔融金屬基質(zhì)材料。超聲能量通過喇叭傳遞，該喇叭的至少1/8波長(zhǎng)的前部為陶瓷。如此傳遞的超聲能量致使至少一部分一定量的熔融金屬基質(zhì)材料振動(dòng)，以允許至少一部分熔融金屬基質(zhì)材料滲透到多個(gè)纖維內(nèi)，從而生產(chǎn)經(jīng)滲透的多個(gè)纖維。最后，從一定量的熔融金屬基質(zhì)材料中抽出多個(gè)纖維。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的超聲能量系統(tǒng)的分解圖，部分以框圖形式表示；圖2A是圖1超聲系統(tǒng)的部分放大截面圖；圖2B是圖2A沿線2B-2B的截面圖；圖3是在總裝配之后圖1的超聲喇叭堆棧的透視圖；圖4是圖1的超聲系統(tǒng)一部分的截面圖；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明用來利用超聲能量生產(chǎn)復(fù)合金屬基質(zhì)導(dǎo)線的裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中的是根據(jù)本發(fā)明的超聲系統(tǒng)10的一個(gè)實(shí)施例。一般地說，超聲系統(tǒng)10包括能量源12(以方框的形式示出)、超聲或喇叭堆棧14以及冷卻系統(tǒng)16。下面詳細(xì)描述各部件的細(xì)節(jié)。但是一般地說，喇叭堆棧14包換能器20、升壓器22、波導(dǎo)管24、和喇叭26。至少一部分喇叭26包括陶瓷材料并能夠傳輸從能量源12輸入的經(jīng)由換能器20、升壓器22和波導(dǎo)管24而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)能量。冷卻系統(tǒng)16，如后面所述，冷卻喇叭26和波導(dǎo)管24之間的接口。通過這種結(jié)構(gòu)，超聲系統(tǒng)10以及尤其是喇叭26，能夠在極端工作環(huán)境(例如升高的溫度和/或化學(xué)腐蝕)下長(zhǎng)期提供超聲能量。
超聲系統(tǒng)10的幾個(gè)部件是現(xiàn)有技術(shù)中公知的類型。例如，能量源12、換能器20、和升壓器22是通常的公知部件，并且可以假定有多種形式。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，能量源12構(gòu)成用于向換能器20提供高頻電能。換能器20將來自能量源12的電力轉(zhuǎn)換成標(biāo)稱20kHz的機(jī)械振動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的換能器20因此可以是各種類型如壓電的、機(jī)電的等。最后，升壓器22也是本領(lǐng)域公知的類型，并適于放大換能器20的振動(dòng)輸出并將振動(dòng)傳輸?shù)讲▽?dǎo)管24/喇叭26。在這一點(diǎn)上，雖然系統(tǒng)10能夠包括升壓器22和喇叭26之間的波導(dǎo)管24，在備選實(shí)施例中，喇叭26直接連接到升壓器22，從而省略了波導(dǎo)管24。
不同于上述部件，設(shè)置了波導(dǎo)管24的喇叭26相對(duì)于公知的超聲系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的改進(jìn)。尤其是，喇叭26的實(shí)質(zhì)部分由陶瓷材料形成，在一個(gè)實(shí)施例中喇叭26整體上都由陶瓷材料形成。作為參考，喇叭26由尾端30和前端32限定。尾端30連接到波導(dǎo)管24，其中前端32是喇叭26的工作端。因此，例如，當(dāng)使用超聲系統(tǒng)10將超聲能量傳遞到流體介質(zhì)時(shí)，前端32(和與前端32相鄰的部分喇叭26一起)浸入流體介質(zhì)。通過這些有意的指定，喇叭26由從尾端30到前端32的長(zhǎng)度定義，并定義喇叭材料波長(zhǎng)。喇叭26的陶瓷部分長(zhǎng)度至少為該波長(zhǎng)的1/8，從前端32朝尾端30接近地延伸。換句話說，喇叭26定義了一個(gè)長(zhǎng)度為至少1/8喇叭材料波長(zhǎng)的陶瓷前部34。作為選擇，陶瓷部分前部34的長(zhǎng)度可以大于1/8喇叭材料波長(zhǎng)，例如至少1/4波長(zhǎng)或1/2波長(zhǎng)。在一個(gè)最優(yōu)選的事實(shí)例中，喇叭26整體由陶瓷材料形成。無論如何，喇叭陶瓷部分不僅僅是涂層或小頭片；而是，本發(fā)明沿著喇叭26的重要部分使用陶瓷。
有多種陶瓷材料可用于喇叭26(或如前述喇叭26的前部34)，并包括炭化物、氮化物和/或氧化物中的至少一種。例如，喇叭26的陶瓷部分可以是氮化硅、氧化鋁、二硼化鈦、氧化鋯、碳化硅等。在一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，喇叭26的陶瓷部分是氧化鋁、氮化硅陶瓷合成物，如硅鋁氧氮陶瓷(Si6-xAlxOxN8-x)。
圖1中所示喇叭26為圓柱棒狀，也可以用其他形狀。例如，喇叭26可以是矩形或正方形(截面)棒狀、球形、圓錐形、雙圓錐形等。喇叭26的所選擇的形狀與預(yù)期的端部應(yīng)用有關(guān)。
基于喇叭26如何設(shè)置，可以假定連接其間的波導(dǎo)管24有多種形式。例如，喇叭26的尾部36處是除陶瓷(例如鈦、鈮或其他普通喇叭材料)以外的東西，波導(dǎo)管24也可以是公知的結(jié)構(gòu)，如將喇叭26連接到波導(dǎo)管24的技術(shù)。例如，當(dāng)喇叭26的尾部36由諸如鈮及其合金的標(biāo)準(zhǔn)喇叭材料構(gòu)成時(shí)，波導(dǎo)管24可以由鈦和/或鋼材料形成，喇叭26通過螺紋緊固件安裝于其上。下面描述以前沒有在超聲喇叭領(lǐng)域內(nèi)使用的可選擇的安裝技術(shù)。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中喇叭26的整體由陶瓷材料形成，可以使用機(jī)械裝配安裝技術(shù)來連接喇叭26和波導(dǎo)管24(或升壓器22，當(dāng)不包括波導(dǎo)管24時(shí))。例如，通過參考圖2A和2B，調(diào)整波導(dǎo)管24和喇叭26以利于其間的過盈配合。更具體地，波導(dǎo)管24形成一個(gè)內(nèi)孔38，內(nèi)孔38的尺寸對(duì)應(yīng)于喇叭26的外部尺寸。因此，例如，當(dāng)喇叭26設(shè)置成圓柱棒狀時(shí)，孔38和尾端30定義選擇用于產(chǎn)生在其間的合適的過盈配合。在這一點(diǎn)上，如先前所述，超聲系統(tǒng)10優(yōu)選適用于在高溫環(huán)境(即至少200℃，另一個(gè)實(shí)施例中是350℃，另一個(gè)實(shí)施例中500℃)下使用，如熔融金屬。在這些條件下，過盈或接合配合必須是在可能遇到的高溫下陶瓷喇叭26相對(duì)于波導(dǎo)管24不變松。在一個(gè)實(shí)施例中波導(dǎo)管24由除陶瓷之外的材料形成，以最有利于升壓器22和喇叭26之間的連接；公認(rèn)的是通過使用各不相同的材料用于波導(dǎo)管24和喇叭26，這些部件在經(jīng)歷高溫時(shí)將以不同的比率膨脹。隨著該材料的膨脹，在喇叭26膨脹時(shí)，喇叭26把圓周應(yīng)力施加到波導(dǎo)管24上。描述了這種情況之后，在一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)管24由鈦材料形成，鈦材料與這些用于高溫應(yīng)用(如鈮)的常用材料相反，因?yàn)檫^盈配合產(chǎn)生的圓周應(yīng)力遠(yuǎn)小于鈦的屈服強(qiáng)度。也就是說，鈮(及其合金)抵擋不住高溫(大約至少500℃)下的預(yù)期圓周應(yīng)力。例如，當(dāng)使用超聲系統(tǒng)10向熔融金屬介質(zhì)施加超聲能量時(shí)，波導(dǎo)管24優(yōu)選為鈦，選擇孔40來提供室溫下0.003英寸的過盈配合。
上述用于將喇叭26裝配到波導(dǎo)管24的過盈配合鉗位型技術(shù)是一種可利用的手段。也可以使用其他的機(jī)械鉗位技術(shù)，如形成波導(dǎo)管24使得包括一個(gè)對(duì)開夾具結(jié)構(gòu)等。無論如何，波導(dǎo)管24和喇叭26之間的接合點(diǎn)優(yōu)選位于波導(dǎo)管24的反結(jié)點(diǎn)，盡管其他接合點(diǎn)(例如波導(dǎo)管24的振動(dòng)結(jié)點(diǎn))也是可以接受的。無論如何，通過加工或調(diào)整波導(dǎo)管24，喇叭26到波導(dǎo)管24的過盈裝配技術(shù)便于喇叭堆棧14的整體協(xié)調(diào)。這與精確地將喇叭26加工為半波長(zhǎng)喇叭的公認(rèn)技術(shù)形成對(duì)比。由于與陶瓷加工有關(guān)的潛在的復(fù)雜性，本發(fā)明有利于作為部分協(xié)調(diào)工序加工波導(dǎo)管24。因而，喇叭26的長(zhǎng)度可以是除半波長(zhǎng)之外的其他長(zhǎng)度。為此，通常公認(rèn)的是，對(duì)于波導(dǎo)管24和喇叭26的長(zhǎng)度，半波長(zhǎng)要求都是必須的，以把結(jié)點(diǎn)保持在波導(dǎo)管24/喇叭26的中跨，把反結(jié)點(diǎn)保持在波導(dǎo)管24/喇叭26分界面，從而以貫穿喇叭堆棧14的最小能量消耗獲得最佳諧振(例如20kHz)。
回到圖1，在一個(gè)實(shí)施例中，超聲系統(tǒng)10包括用于完成喇叭26和波導(dǎo)管24之間的上述結(jié)點(diǎn)冷卻的冷卻系統(tǒng)16，以及喇叭堆棧14的其他部件。一般地說，冷卻系統(tǒng)16的一個(gè)實(shí)施例包括一套管40、一空氣源42和一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管44。另外參考圖3，使套管40的尺寸適于放置在喇叭堆棧14周圍，其遠(yuǎn)端46相鄰波導(dǎo)管24/喇叭26接合點(diǎn)安置。導(dǎo)管44不固定地連接空氣源42與套管40內(nèi)部，從而引導(dǎo)來自套管40內(nèi)的空氣源42的強(qiáng)制氣流。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)10還包括用于安裝喇叭堆棧14的托架48。
如圖4中最佳圖示，例如，在使用期間，一部分喇叭26(尤其是至少一部分陶瓷前部34)浸入流體介質(zhì)50。對(duì)某些應(yīng)用，流體介質(zhì)50可以非常熱，如溫度接近710℃的熔融鋁。在這些條件下，來自流體介質(zhì)50的熱會(huì)消極地影響波導(dǎo)管24和喇叭26之間的裝配穩(wěn)定性。然而，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，冷卻系統(tǒng)16最小化潛在的復(fù)雜性。具體地，套管40環(huán)繞波導(dǎo)管24/喇叭26接合點(diǎn)，并限定套管40與波導(dǎo)管24/喇叭26之間的間隙52。來自空氣源42(圖1)的空氣被強(qiáng)制通過導(dǎo)管44(圖1)進(jìn)入該間隙52并從套管40向外穿過。因此，強(qiáng)制氣流除去了波導(dǎo)管24/喇叭26接合點(diǎn)熱量，并冷卻波導(dǎo)管24、升壓器22(圖1)和換能器20(圖2)。可選擇地，也可以使用其他冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，來自流體介質(zhì)50的熱量并非關(guān)注重點(diǎn)以及/或波導(dǎo)管24/喇叭26在預(yù)期溫度下是穩(wěn)定的，可以整體省略冷卻系統(tǒng)16。
本發(fā)明的超聲系統(tǒng)10對(duì)于各種超聲應(yīng)用非常有用，尤其是那些包括極端環(huán)境的應(yīng)用，如腐蝕性環(huán)境、高溫流體介質(zhì)、及其組合環(huán)境。尤其是，通過由陶瓷材料形成喇叭26的有關(guān)部分，優(yōu)選喇叭26的全部，喇叭26將不會(huì)因暴露于極端環(huán)境而快速腐蝕。尤其是選擇的陶瓷材料硅鋁氧氮陶瓷、氮化硅、二硼化鈦、碳化硅、氧化鋁等在高溫下非常穩(wěn)定，并且在暴露于酸性液體如熔融鋁時(shí)通常不會(huì)腐蝕。此外，關(guān)于高溫應(yīng)用，從高溫介質(zhì)到喇叭堆棧的其余部件，優(yōu)選的陶瓷喇叭26表現(xiàn)出減小的熱傳導(dǎo)特性(與公知的高溫應(yīng)用材料如鈮和鈮-鉬合金相比)。因此，對(duì)于溫度超過700℃的熔融金屬應(yīng)用，優(yōu)選的陶瓷喇叭26最小化向換能器20的熱傳輸，從而大大減少破壞換能器晶體的機(jī)會(huì)。在喇叭26全部都是陶瓷的情況下，喇叭26實(shí)際上在外界條件以及高溫(例如在700℃范圍內(nèi))下表現(xiàn)出恒定的硬度和密度特性。
通過上述說明，根據(jù)本發(fā)明的超聲系統(tǒng)10的一個(gè)示例性應(yīng)用是在纖維加強(qiáng)鋁基復(fù)合導(dǎo)線的生產(chǎn)中。圖5示意性示出使用根據(jù)本發(fā)明的超聲系統(tǒng)10的纖維加強(qiáng)金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線制造系統(tǒng)的一個(gè)例子。圖5所示的制造方法被稱為“cast through”，并從一束多晶a-Al2O3纖維60傳輸穿過入口模具62并進(jìn)入真空室64開始，其中，纖維束60在真空室64被排出。然后，纖維束60被傳輸穿過冷卻設(shè)備65，然后到一個(gè)容納有熔融態(tài)金屬基質(zhì)68的容器66。一般地說，熔融金屬基質(zhì)68可以是鋁基的，溫度至少600℃，通常接近700℃。浸入熔融基質(zhì)金屬68中時(shí)，纖維束60承受超聲系統(tǒng)10提供的超聲能量，尤其是喇叭26，其另外浸入熔融基質(zhì)金屬68。喇叭26的整體再次優(yōu)選為陶瓷。選擇地，當(dāng)只有前部34(圖1)為陶瓷時(shí)，喇叭26的浸入部分僅由陶瓷前部34(或其一部分)構(gòu)成。無論如何，喇叭26振動(dòng)熔融基質(zhì)金屬68，優(yōu)選以20kHz。這樣，使基質(zhì)金屬徹底滲透纖維束60。從熔融基質(zhì)金屬68抽出被滲透的纖維束60。公知的一些其他的金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線制造技術(shù)，在這些技術(shù)中本發(fā)明的超聲系統(tǒng)10是有用的，其中一個(gè)描述在美國(guó)專利No.6,245,425中，文中引用其技術(shù)教導(dǎo)作為參考。
與精確制造技術(shù)無關(guān)，并且與現(xiàn)存的結(jié)合鈮喇叭的超聲系統(tǒng)不同，本發(fā)明的超聲系統(tǒng)10具有延長(zhǎng)了的工作壽命而無須更換喇叭26。也就是說，在熔融金屬滲透應(yīng)用中使用的鈮喇叭(以及鈮合金)由于腐蝕而難于超過50個(gè)工作小時(shí)。相反，根據(jù)本發(fā)明的超聲系統(tǒng)10，尤其是喇叭26令人驚訝地表現(xiàn)出在熔融金屬中超過100個(gè)工作小時(shí)的有效工作壽命；甚至在熔融金屬中超過200個(gè)工作小時(shí)。
盡管作為優(yōu)選已經(jīng)描述了超聲系統(tǒng)10用于纖維加強(qiáng)鋁基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線的制造，但也可以認(rèn)識(shí)到用在其他聲學(xué)或超聲設(shè)備中的益處。因此，本發(fā)明不限于任何一個(gè)具體的聲學(xué)或超聲應(yīng)用。
例子通過下面的例子，進(jìn)一步說明本發(fā)明的目的和優(yōu)越性，在這些例子中列出了具體的材料及其量，以及其他的條件和細(xì)節(jié)，但這些不應(yīng)當(dāng)看作對(duì)本發(fā)明的限制。
例1通過形成長(zhǎng)度為11.75英寸、直徑1英寸的圓柱棒硅鋁氧氮陶瓷喇叭，制備超聲喇叭堆棧。該喇叭過盈裝配安裝到鈦波導(dǎo)管。波導(dǎo)管安裝到升壓器，升壓器然后安裝到換能器。一個(gè)適當(dāng)?shù)哪芰吭措娺B接到換能器。然后操作如此構(gòu)成的超聲系統(tǒng)以向熔融鋁池施加超聲能量。具體地，鋁金屬被加熱到大約705℃-715℃的溫度范圍以形成熔融鋁池。陶瓷喇叭被部分浸入熔融鋁池，并操作喇叭堆棧使得喇叭以大約65瓦特20kHz傳輸，并被經(jīng)歷空氣冷卻。經(jīng)過大約50小時(shí)的間隔，從熔融鋁池中取出喇叭，進(jìn)行酸蝕刻，并視覺檢查腐蝕。此外，檢查波導(dǎo)管和喇叭之間結(jié)合的穩(wěn)定性。功率和頻率讀數(shù)與腐蝕和結(jié)合穩(wěn)定性特征一起標(biāo)注在后面的表1中。工作200小時(shí)后，波導(dǎo)管/喇叭結(jié)合依舊保持穩(wěn)定，并識(shí)別出非常有限的喇叭腐蝕或疲勞。因此，陶瓷喇叭能夠經(jīng)受得住長(zhǎng)時(shí)間向腐蝕、高溫環(huán)境傳送超聲能量。特別是，相信喇叭和波導(dǎo)管/喇叭結(jié)合穩(wěn)定性將保持超過200小時(shí)測(cè)試的更長(zhǎng)的時(shí)間。另外，進(jìn)行測(cè)試以確定陶瓷喇叭的輕微腐蝕是否導(dǎo)致喇叭材料尤其是硅轉(zhuǎn)移到熔融池。關(guān)于例1，在施加超聲能量之前測(cè)量的熔融鋁池的硅含量為153ppm。150小時(shí)之后，再次測(cè)試池內(nèi)的硅含量，發(fā)現(xiàn)為135ppm。因此，池內(nèi)的硅容量沒有受到陶瓷超聲喇叭的不利影響。
表1

例2金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線的制備。
使用浸入熔融鋁基池內(nèi)并經(jīng)受超聲能量以實(shí)現(xiàn)纖維束滲透的NEXTELTM610氧化鋁陶瓷纖維束(3M公司商用，St.Paul，MN)制備復(fù)合金屬基質(zhì)導(dǎo)線。具體地，包括硅鋁氧氮陶瓷喇叭的超聲系統(tǒng)，類似于例1中描述的喇叭，被用做cast through方法的一部分，如圖5所示。工藝參數(shù)類似于制造鋁基質(zhì)復(fù)合物(AMC)所使用的參數(shù)，并在例1的美國(guó)專利No.6344270(‘270號(hào)專利)詳細(xì)描述，這里引用作為參考。本發(fā)明的硅鋁氧氮陶瓷喇叭代替‘270號(hào)專利中描述的鈮合金喇叭。通過該例，硅鋁氧氮陶瓷喇叭以大約20kHz傳輸大約65瓦特。經(jīng)過13個(gè)實(shí)驗(yàn)性運(yùn)行過程制造了大約6500英尺的導(dǎo)線，并通過張力測(cè)試儀(Instron of Canton，Mass商用的asInstron 4201測(cè)試儀)進(jìn)行張力測(cè)試，依據(jù)ASTM D 3379-75(抗拉強(qiáng)度以及高模量單絲材料的楊氏模量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法)。根據(jù)例2制造的導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度事實(shí)上與利用鈮合金超聲喇叭制造的金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線有關(guān)的抗拉強(qiáng)度相同，表現(xiàn)出的縱向強(qiáng)度在大約1.51Gpa的范圍內(nèi)。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下能夠知道可以進(jìn)行的形式上的變化以及細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種用于施加振動(dòng)能量的聲學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括連接到超聲能量源的喇叭，該喇叭限定了長(zhǎng)度和波長(zhǎng)，其中至少喇叭前部由陶瓷材料制成，該前部長(zhǎng)度至少是1/8喇叭波長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述前部的長(zhǎng)度至少為1/4喇叭波長(zhǎng)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中喇叭整體是一種陶瓷材料。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述陶瓷材料包括從氮化硅、氧化鋁、硅鋁氧氮陶瓷、二硼化鈦、氧化鋯或碳化硅中選擇的至少一種陶瓷。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中喇叭是圓柱棒狀。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述喇叭適于至少一部分浸入高溫流體介質(zhì)。
7.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述喇叭適于以接近20kHz的頻率向熔融金屬基介質(zhì)傳輸超聲能量，并且所述喇叭特征在于工作壽命至少為100小時(shí)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述喇叭特征在于當(dāng)浸入熔融鋁基介質(zhì)時(shí)工作壽命至少200小時(shí)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中喇叭分為尾部和前部，并且其中超聲能量源包括一個(gè)用于保持喇叭尾部的安裝部件，所述喇叭被一鉗位機(jī)構(gòu)固定到該安裝部件。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述喇叭被過盈裝配到安裝部件。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中安裝部件是從包括波導(dǎo)管和升壓器的組中選擇的。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述喇叭是陶瓷圓柱棒，并且安裝部件定義了一個(gè)圓形孔，并且其中所述喇叭尾部被容納在該圓形孔中。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述安裝部件和所述喇叭適于在至少200℃的溫度下保持過盈配合。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述安裝部件和所述喇叭適于保持在至少350℃的溫度下保持過盈配合。
15.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中安裝部件包括從鈦或鋼中選擇的一種材料。
16.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括環(huán)繞安裝部件和喇叭之間的接合點(diǎn)的管狀套管；不固定連接到套管用于通過套管傳送空氣以冷卻所述接合點(diǎn)的空氣源。
17.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括將電能變成超聲振動(dòng)的換能器；用于增大振動(dòng)幅度的升壓器；和用于將放大的振動(dòng)傳送到所述喇叭的波導(dǎo)管部件。
18.一種在流體介質(zhì)中施加超聲能量的方法，該方法包括提供流體介質(zhì)；將超聲能量源連接到喇叭，喇叭的至少前部1/8波長(zhǎng)是陶瓷；至少所述喇叭的前部浸入流體介質(zhì)；以及，操作超聲能量源使得所述喇叭傳輸能量到流體介質(zhì)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述流體介質(zhì)的溫度至少為200℃。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述流體介質(zhì)的溫度至少為600℃。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述流體介質(zhì)是腐蝕性的。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述腐蝕性流體介質(zhì)是熔融金屬。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述喇叭整體是陶瓷，并且其中將超聲能量源連接到喇叭的步驟包括提供金屬安裝部件作為超聲能量源的一部分；并且將所述喇叭的尾部過盈裝配到安裝部件。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述流體介質(zhì)是熔融鋁，并且其中所述方法特征在于超聲能量傳輸至少100小時(shí)而不更換所述喇叭。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其中超聲能量源包括通過過盈配合保持所述喇叭的金屬波導(dǎo)管，所述方法進(jìn)一步包括確定喇叭的所需共振頻率；以及根據(jù)所需共振頻率調(diào)節(jié)波導(dǎo)管部件的長(zhǎng)度。
26.如權(quán)利要求18所述的方法，其中傳輸?shù)某暷芰渴谷廴诮饘倩|(zhì)材料滲透到浸入所述熔融金屬基質(zhì)的多個(gè)纖維內(nèi)。
27.一種制造連續(xù)復(fù)合導(dǎo)線的方法，該方法包括提供一定量的溫度至少600℃的熔融金屬基質(zhì)材料；包括大量實(shí)際連續(xù)的纖維的至少一纖維束浸入到一定量的熔融金屬基質(zhì)材料；通過喇叭傳遞超聲能量，該喇叭的至少1/8波長(zhǎng)部分為陶瓷，使得至少一部分一定量的熔融金屬基質(zhì)材料振動(dòng)，以允許至少一部分熔融金屬基質(zhì)材料滲透到多個(gè)纖維內(nèi)，從而提供經(jīng)滲透的多個(gè)纖維；以及從一定量的熔融金屬基質(zhì)材料中抽出多個(gè)纖維。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中喇叭的整體是陶瓷。
29如權(quán)利要求27所述的方法，其中制造連續(xù)復(fù)合導(dǎo)線至少100小時(shí)而不更換所述喇叭。
全文摘要
一種用于施加振動(dòng)能量的聲學(xué)系統(tǒng)，包括連接到超聲能量源的喇叭。喇叭限定了整體長(zhǎng)度和波長(zhǎng)，至少喇叭的前部包括陶瓷材料。該前部長(zhǎng)度至少是1/8喇叭波長(zhǎng)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，喇叭整體是一種陶瓷材料，并通過過盈配合被安裝到一單獨(dú)部件，如波導(dǎo)管。無論如何，通過對(duì)喇叭的至少一特定部位使用陶瓷材料。本發(fā)明的超聲系統(tǒng)有利于長(zhǎng)時(shí)間工作在極端環(huán)境，如高溫和/或腐蝕性流體介質(zhì)。本發(fā)明對(duì)制造金屬基質(zhì)復(fù)合導(dǎo)線非常有用。
文檔編號(hào)B01J19/10GK1802874SQ200480007672
公開日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者薩丁德爾·K·納亞爾, 羅納德·W·格德斯, 邁克爾·W·卡彭特, 卡邁勒·E·阿明 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司