一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器

1.本发明涉及超声换能器领域，具体涉及一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器。


背景技术：

2.近年来，随着功率超声技术的深入发展以及碳纤维、工程陶瓷、复合材料等硬脆、难加工材料的广泛应用，传统的一维振动已经很难满足日益复杂的加工要求，能够综合纵向振动和扭转振动优势的二维纵-扭复合振动因其较高的加工精度和可靠性而备受青睐。虽然纵-扭复合型超声加工方式得到了世界的公认，但在其设计、研究、加工制造等方面没有形成系统的、完善的理论体系。针对上述情况，国内外学者对有关问题都进行了积极的理论研究与实验分析。
3.文献[1]提出了一种利用在超声变幅杆上加工斜槽的方法来实现纵扭复合振动的超声换能器；文献[2]研究了斜槽的结构参数(个数、宽度、角度等)对纵扭复合振动转换效率的影响，并计算出能使系统获得最大转换效率的最佳斜槽角度和宽度；文献[3]针对斜槽式模态转换型超声电机存在的成本高、工艺复杂的问题进行研究，提出了一种孔式模态转换型超声电机；文献[4]利用单因素实验法，分析了斜槽结构参数对系统振动频率的影响；文献[5]研究了纵向及扭转振动在指数型变幅杆中的传播规律，推导了在同一变幅杆中纵、扭同频共振的条件，并给出了指数型纵-扭复合变幅杆的频率设计方程；文献[6]设计了一种圆环形斜槽传振杆，并分析了圆环斜槽传振杆的振动特性，求解出能够影响纵扭复合振动性能的因素；文献[7]提出了一种新型的复合振动系统——贴片式纵-扭复合振动系统，其复合振动是通过调整换能器和压电陶瓷的轴向角度而得到的；文献[8]设计了基于螺旋沟槽式的纵-扭复合振动系统，并分析了螺旋沟槽参数对纵、扭转振动分量的影响。文献[9]提出了基于梳状扇形孔周期性结构的纵扭复合超声振动系统，通过在复合变幅杆上设置梳状扇形孔和斜槽，得到扭转分量大的纵-扭复合超声振动系统。
[0004]
目前，换能器的扭转振动主要有两种方式：一是利用切向极化的压电陶瓷晶堆，二是利用振动模式转换。前者由于存在电击穿、工艺复杂、功率容量等问题，很难研制大功率高性能的纵-扭复合模态超声换能器，因此，很多研究都倾向于第二种方法来实现纵-扭复合模态超声换能器，该方法简单，主要利用在纵向振动的变幅杆上开斜槽或螺旋槽来实现模式转换型纵、扭复合振动。但在换能器的变幅杆上开斜槽的方法存在能量转换率低、扭转分量过小的弊端，通常无法满足加工所需振幅；而在变幅杆上加工螺旋槽和扇形孔的方法则存在结构复杂，模型建立较为困难，无法准确控制输出参数的弊端。基于此，本发明提出了一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器。
[0005]
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[0006]
[2]林书玉. 大振幅纵-扭复合振动模式超声变幅杆[j]. 压电与声光, 2002, 24(1): 81-83。
[0007]
[3]杨淋, 金家楣, 赵淳生. 一种新型孔式模态转换型超声电机[j]. 振动、测试
与诊断, 2009, 29(02): 133-136+237。
[0008]
[4]唐军, 赵波, 陈曦. 纵-扭同频复合超声振动变幅杆设计[j]. 陕西师范大学学报(自然科学版),2013,41(06):33-37。
[0009]
[5]林书玉. 大振幅纵-扭复合振动模式超声变幅杆[j]. 压电与声光, 2002, 24(1): 81-83。
[0010]
[6]皮钧. 圆环斜槽传振杆的纵扭振动转换[j]. 机械工程学报, 2008, 44(5): 242-248。
[0011]
[7]唐军, 赵波. 一种新型纵扭复合超声振动系统的研究[j]. 机械科学与技术, 2015, 34(5): 742-747。
[0012]
[8]殷森, 赵波, 李瑜. 模式转换型纵-扭复合超声振动加工系统的设计[j]. 振动与冲击, 2019, 38(11): 242-248。
[0013]
[9]林基艳, 林书玉. 基于梳状扇形孔周期性结构的纵-扭复合模态超声振动系统[j]. 声学技术, 2020,39(05): 567-573。


技术实现要素：

[0014]
为解决上述问题，本发明提供了一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器。
[0015]
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器，该超声换能器包括通过螺栓依次连接的由圆柱端和圆锥端组成的复合变幅杆、前盖板、压电陶瓷晶堆和后盖板，其中，所述的复合变幅杆采用半波长结构，所述的前盖板、压电陶瓷晶堆和后盖板构成的纵振夹心式压电陶瓷换能器采用半波长结构；所述的圆柱端加工四个斜槽，圆锥端加工6个垂直于换能器轴向的空气圆柱孔和5个围绕圆锥部分小端辐射面周期分布的扇柱形孔。
[0016]
进一步地，所述的斜槽的长度为l，5mm≤l≤35 mm；宽度为w，2mm≤w≤8 mm；深度为2mm≤s≤10 mm；倾斜角度为5
°
≤θ≤80
°
；复合变幅杆圆锥部分所加工的平行于换能器轴向的空气圆柱孔的高度为h，15mm≤h≤30mm；半径为r， 2mm≤r≤7mm；扇形柱孔的高度为h1，h1=62mm；扇形角为β，1
°
≤θ≤12
°
。
[0017]
进一步地，所述长度l =10mm；w=2mm；s=3mm；θ=10
°
；r=2mm；h=23mm；h1=62mm；高度为β=4.5
°
。
[0018]
进一步地，所述的前盖板为圆柱体，压电陶瓷堆位于前盖板的后端面与复合变幅杆之间，复合变幅杆的小端面与复合变幅杆的圆柱部分的后端面相连。
[0019]
进一步地，所述前盖板的材质为铝，半径为26mm，高度为45mm。
[0020]
进一步地，所述后盖板的材质为铝，半径为26mm，高度为45mm。
[0021]
进一步地，所述压电陶瓷堆的材质为pzt-4，总高度为12mm，半径为25mm，由两个压电陶瓷晶堆依次同轴堆叠而成。
[0022]
上述方案中，通过在复合变幅杆圆锥段引入平行于换能器轴向的圆柱空气孔，降低了换能器的等效质量，使系统获得较低的共振频率，同时可以有效增大模式转换型换能器向扭转振动转换的纵向分量；通过在复合变幅杆圆锥段引入5个围绕圆锥部分小段辐射面周期分布的扇柱形孔，因此，当夹心式压电换能器产生的振动传递到复合变幅杆上时，扇柱形片的剪切和弯曲
变形可以降低变幅杆的等效模量，此时的扇柱形片可以看作具有剪切和弯曲刚度的弹簧，即复合变幅杆在五个起剪切和弯曲作用的扇柱形片和斜槽在换能器共同为柱孔式纵-扭转换复合换能器的扭转振动提供助力，有效地提高换能器的扭转分量。
附图说明
[0023]
图1为本发明实施例一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器的立体图；图中：1-圆柱端；2-圆锥端；3-前盖板；4-压电陶瓷晶堆；5-后盖板；6-斜槽；7-空气圆柱孔；8-扇柱形孔。
[0024]
图2为本发明实施例一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器的剖面图。
[0025]
图3为本发明实施例中的圆锥端的后视图。
[0026]
图4 为新型柱孔式纵-扭复合模态超声振动系统的二阶扭转振型图。
[0027]
图5基于斜槽的换能器的模型图。
[0028]
图6 基于螺旋槽的换能器的模型图。
[0029]
图7为本杆实施例的一种柱孔式的纵-扭复合振动换能器的模型图图8为扭转分量对比图；其中：（a）基于斜槽、螺旋槽的换能器与柱孔式纵-扭复合模态超声换能器的剪切应力对比图；（b）基于斜槽、螺旋槽的换能器与柱孔式纵-扭复合模态超声换能器的旋转角度对比图。
具体实施方式
[0030]
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
如图1-图4所示，本发明实施例提供了一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器，该超声换能器包括通过螺栓依次连接的由圆柱端1和圆锥端2组成的复合变幅杆、前盖板3、压电陶瓷晶堆4和后盖板5，所述的前盖板3为圆柱体，压电陶瓷堆2位于前盖板3的后端面与复合变幅杆之间，复合变幅杆的小端面与复合变幅杆的圆柱部分的后端面相连，其中，所述的复合变幅杆采用半波长结构，所述的前盖板3、压电陶瓷晶堆4和后盖板5构成的纵振夹心式压电陶瓷换能器采用半波长结构；所述的圆柱端1加工四个斜槽6，圆锥端2加工6个垂直于换能器轴向的空气圆柱孔7和5个围绕圆锥部分小端辐射面周期分布的扇柱形孔8。在复合变幅杆圆锥部分加工的能够降低换能器的等效质量，使系统获得较低谐振频率，且可以有效提高模式转换型换能器向扭转振动转换的纵向分量的平行于换能器轴向的圆柱空气孔；在复合变幅杆圆锥部分加工的五个围绕圆锥部分小段辐射面周期分布的扇柱形孔，因为扇柱型孔的引入，使得新型柱孔式纵-扭复合模态超声换能器的圆锥部分的扇柱形片发生剪切和弯曲变形，五个扇柱形片可以看作具有剪切和弯曲刚度的弹簧，降低复合变幅杆的等效模量的同时有效提高换能器的扭转分量。所述的斜槽6的长度为l，5mm≤l≤35 mm；宽度为w，2mm≤w≤8 mm；深度为2mm≤s≤10 mm；倾斜角度为5
°
≤θ≤80
°
；复合变幅杆圆锥部分所加工的平行于换能器轴向的空气圆柱孔的高度为h，15mm≤h≤30mm；半径为r， 2mm≤r≤7mm；扇形柱孔8的高度为h1，h1=62mm；扇形角为β，1
°
≤θ≤12
°
。
[0032]
本实施例中，所述长度l =10mm；w=2mm；s=3mm；θ=10
°
；r=2mm；h=23mm；h1=62mm；高度为β=4.5
°
。
[0033]
本实施例中，所述前盖板3的材质为铝，半径为26mm，高度为45mm。
[0034]
本实施例中，所述后盖板5的材质为铝，半径为26mm，高度为45mm。
[0035]
本实施例中，所述压电陶瓷堆4的材质为pzt-4，总高度为12mm，半径为25mm，由两个压电陶瓷晶堆依次同轴堆叠而成。
[0036]
对本发明提出的新型柱孔式纵-扭复合模态超声换能器进行测试，以二阶扭转为例进行测试，新型柱孔式纵-扭复合模态超声换能器的平均剪切应力是基于斜槽和螺旋槽结构换能器的4倍；平均旋转角度是基于斜槽结构换能器的3.3倍，是基于螺旋槽结构换能器的2.6倍，即新型柱孔式纵-扭复合模态超声换能器可以大幅提高系统扭转分量，提高纵扭振动的转换效率。
[0037]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。