变幅杆设计理论
变幅杆设计理论
超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器。
在超声技术中，特别在高声强超声设备的振动系统中是很重要的。
其主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。
我们知道，超声换能器辐射面的振动幅度在20kH范围内只有几微米。
而在高声强声应用中，如超声加工、超声焊接、超声金属成型（包括超声冷拔管飞丝和铆接等）和某些超声外科设备及超声疲劳试验应用中，辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米。
因此必须在换能器的端面连接超声波变幅杆，将机械振动幅度放大。
除此以外，超声波变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量有效地从换能器向负载传输。
超声波变幅杆的性能可以用许多参数来描述。
在实际应用中最常用的是：共振频率（共振长度）、放大系数、形状因数、输入力阻抗和弯曲劲度等。
放大系数是指变幅杆工作在共振频率时输出端和输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，值越大，所能达到的最大振动速度也越大。
输入力阻抗定义输入端策动力与质点振动速度的复数比值。
在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化要小。
弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数。
变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。
弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。
在超声波焊接的应用中，人们根据实际需要研究出各种类型的变
幅杆。
最简单也是较常用的变幅杆有：指数形，悬链线形，阶梯形和圆锥形变幅杆。
这类变幅杆称为单一变幅杆。
此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种组合型变幅杆，这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组成。
在实际应用中还出现一些由多个单一变幅杆级联工作的组合系统，这是另一个问题。
除了上面提到的变幅杆外，在某些应用中有时还需要一些非杆形的振动振幅变换器，其形状有盘形、长方形等，我们称其为变幅器。
有些变幅器不但有振动变幅的变换功能，而且还有振动方向的变换功能。
大尺寸余弦形超声变幅杆的设计
杆 的频 率方 程 等重要 参数 进行 了研究 ，余 弦形 过 渡
ｍｏ ｉ ｃ ｔ ｎ ｃ ｎ ｂｅ ｕ ｅ ｄ ｒ ｓ ｏ ｅ Ｔ ｅ ｏ ｃｕ ｉ ｎ ｅ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｏ ｔ ｅ ｅ ｇ ｅ ｒ ｇ ｄ ｓｇ ｎ ｄ ｆ ａ ｉ ａ ｓ ｄ ｉ ａ ｗ ｅ ｃ ｐ ． ｈ ｃ ｎ ｌ ｏ ｓ ａ ｉ ｎ ｆ ａ ｔ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｒ ｉ ｈ ｎ ｉ ｅ ｉ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｎ ｎ
第２ ７卷第 ５期
２０ ０ ８年 １ ０月
声 学
技
术
ＶＯ ＿ ７ Ｎｏ ５ ｌ ． ２ ． Ｏｃ ． ２ ０ ｔ． ０ ８
Ｔｅ ｈ ｃ ｌ Ａｃ ｓｔｃ ｃ ｎｉ ａ ｏｕ ｉ ｓ
大尺 寸余 弦形超声变幅杆 的设计
付 志强，林 书玉
（ 陕西 师 范 大 学 应 用 声 学 所 ，西 安 ７ ０ ６ ） １０ ２
ｎ ｍ ｒ． ａ ｙ ｏ ｅ Ｂｕ ｉ ｈ ｕ ｄ ｂ ｉ ｔ ｕ ｈ ｔ ｏ ｔ ｔ ｓ ｏ ｌ ｅ ｐｏ ｎ ｏ ｔ ｔ ａ ｃ ｍｐ ｅ ｗｉｈ ｎ — ｉ ｅ ｓ ｏ ａ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｑ ｅ ｃ ｅ ａ ｔ ｒ ｒ ａ ｄ ｔ ｏ ｅｄ ｍ ｎ ｉ ｎ ｌ ｈ ｏ ｙ ｈ ｆｅ ｕ ｎ ｉ ｓ ｆｅ
中图 法 分 类 号 ：Ｔ ５ Ｂ５ ６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ６ ０ ２ ０ ） ５ ７ ５０ ０ ０３ ３ （ ０ ８ 一 － ６ —４ ０ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｏ ｉ ｙ ｌｒ ｓ ｎ ｃ ｔ ａ ｓ ｏ ｍ ｅ ｓ ｓｇ ｆｃ ｓｎｅ ｔ ｐｅ ｕ ｔａ ｏ ｉ ｒ ｎ ｆ ｒ ｒ
摘 要 ：通 过瑞 利 的 近似 理 论假 设 ， 大 尺寸 的余 弦形 变 幅 杆 的纵 向振 动 的共 振 频率 进 行 了修 正 ， 到 了修 正 频 率 表达 对 得
针对有限元的超声波加工中变幅杆的动力学分析及设计
要将两个图元合并成一个图元(MERGE ITEMS)。由于在建模过程中,进行了删除、合并或其它操作,可能在编号中生成许多空号,为保存数据存储空间(删除空号)和保持期望的编号顺序,需要压缩编号,删除编号间的空隙。
4.3.1.2.加载并求解
1.指定分析类型和分析选项
模态分析求解前。指定分析类型为模态分析,设置模态提取方法有Subspace(子空间迭代)法,指定模态提取的频率范围是19~21kHz。待提取的模态个数为5。
2.在模型上加载荷
在模态分析中,难一有效的载荷是零位移约束。如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束,程序将以零位移约束替代该DOF处的位移。本文在体模型xz面内的所有的节点上施NDOF为零的一个位移约束。
指数形变幅杆的模型如图4—2所示。轴向截面划分为140个面单元,体模型共有2520个体单元。
(a)面模型(b)体模型
图4-2指数形变幅杆有限元模型
Fig.4-2Finite elemபைடு நூலகம்nt model ofexponential hom
圆锥形变幅杆的模型如图4—3所示。轴向截面划分为203个面单元,体模型共有3654个体单元。
Fig.4-4Finite element model ofcomposite horn
阶梯形变幅杆的模型如图4—5所示,轴向截面划分为252个单元,体模型共有4536个体单元。
太原理工大学硕士研究生学位论文
(a)面模型(b)体模型
固4-5阶梯形变幅杆有限元模型
Fig.4-5Finite element model ofstepped hom
太原理工大学硕士研究生学位论文
(a)面模型(b)体模型
图4-3圆锥形变幅杆有限元模型
超声变幅杆设计资料
考虑由均匀、各向同性材料所构成的变截面杆,在杆的横截面尺寸远小于波长时，不计其机械损耗，并设平面纵波沿杆轴向传播，即在杆的横截面上应力分布是均匀的。
图3.1变截面杆的纵振动[2]
图3.1所示的是变截面杆纵振的示意图，图中的 轴是变幅杆的中心对称轴，作用在微小体元（ ， 所限定的区间）上的张应力为 ，利用牛顿定律，加以推导,可以得处变幅杆理论的关键动力学方程［9]：
二、课题研究的基本内容和拟解决的主要问题
2。1课题的主要技术参数或研究目标
超声变幅杆的大端与换能器连接，小端与刀具连接，主要数据：大端直径87mm，小端直径17mm（圆锥形变幅杆大端87mm，小端37mm)，工作频率20KHz，所用材料为45钢。
2。2课题主要完成内容和工作量要求
（1）查阅和收集超声变幅杆相关方面的资料。
放大系数mp就是指变幅杆工作在共振频率时输出端与输入端得质点位移或速度振幅得比值形状因数就是衡量变幅杆所能达到最大振动速度得指标之一它仅与变幅杆得几何形状有关值越大所能达到得最大振动速度也越大输入力阻抗zi定义为输入端策动力与质点振动速度得复数比值变截面杆纵振动得波动方程考虑由均匀各向同性材料所构成得变截面杆在杆得横截面尺寸远小于波长时不计其机械损耗并设平面纵波沿杆轴向传播即在杆得横截面上应力分布就是均所示得就是变截面杆纵振得示意图图中得轴就是变幅杆得中心对称轴作用在微小体元所限定得区间上得张应力为利用牛顿定律加以推导可以得处变幅杆理论得关键动力学方程其中
（3。1)
其中: ——杆的横截面积函数；
--质点位移；
——应力函数;
—-杆材料的密度；
-—杨氏模量。
当处于简谐振动的情况下，式（3。3）又可以改写成
（3.2）
变幅杆改变振幅的原理
变幅杆改变振幅的原理
一、引言
变幅杆是一种用于改变振幅的机械装置，广泛应用于各种机械系统中。
本文将详细介绍变幅杆的原理及其工作原理。
二、变幅杆的定义及结构
变幅杆是一种机械装置，由两个或多个连杆组成，其中一个连杆被称
为“主连杆”，另一个或其他连杆被称为“从连杆”。
主连杆通过铰
链连接到固定点，从连杆连接到需要改变振幅的物体上。
主连杆和从
连杆之间通过铰链连接起来，形成一个可移动的机构。
三、变幅杠的工作原理
当主连杠以一定角速度旋转时，从连杠也会跟随着运动。
由于主联轴
器和从联轴器之间存在铰接点，因此当主联轴器旋转时，从联轴器会
沿着一个圆弧形运动。
这个圆弧形运动的半径就是铰接点到从联轴器
中心的距离。
在运动过程中，当主联轴器旋转速度增加时，从联轴器跟随着它也会
加速旋转。
这样就可以改变振幅。
当主联轴器旋转速度减少时，从联
轴器也会跟随着它减速旋转，从而降低振幅。
四、变幅杆的应用
变幅杆广泛应用于各种机械系统中，如振动筛、振动输送机、振动磨
机等。
在这些应用中，变幅杆可以通过改变主连杆的旋转速度来改变
物体的振幅，从而实现不同的工作要求。
五、结论
通过本文的介绍，我们了解到了变幅杆的定义、结构和工作原理。
变
幅杆是一种非常重要的机械装置，在各种机械系统中都有广泛的应用。
对于工程师和技术人员来说，了解这些基本原理是非常重要的，因为
它们可以帮助我们更好地设计和优化各种机械系统。
变幅杆原理
变幅杆原理变幅杆是一种常见的机械传动装置，它通过改变杆的长度和角度来实现力的变幅。
在工程和机械设计中，变幅杆被广泛应用于各种机械装置和设备中，如起重机、挖掘机、推土机等。
本文将介绍变幅杆的原理和工作原理，以及其在实际应用中的一些特点和注意事项。
首先，让我们来了解一下变幅杆的基本原理。
变幅杆是由两个或多个杆件组成的机构，通过连接点相互连接。
当其中一个杆件移动时，其他杆件也会跟随移动，从而改变整个机构的长度和角度。
这种设计可以实现力的变幅，使得机械装置在不同工况下能够实现不同的力和运动要求。
在实际应用中，变幅杆通常用于起重机和其他类似的机械装置中。
例如，起重机的臂架就是一个典型的变幅杆结构。
当起重机需要举起重物时，臂架可以通过变幅杆的调节来改变长度和角度，从而实现不同范围内的举升高度和力量。
这种设计可以使得起重机在各种工况下都能够高效、安全地进行作业。
除了起重机，挖掘机和推土机等工程机械中也广泛应用了变幅杆。
在这些机械装置中，变幅杆可以通过调节长度和角度来改变铲斗或推土板的位置和角度，从而实现不同范围内的挖掘和推土作业。
这种设计可以使得工程机械在不同地形和工况下都能够适应并高效地完成作业任务。
在使用变幅杆的过程中，需要注意一些特点和注意事项。
首先，变幅杆的设计和制造需要考虑材料的选择和强度计算，以确保在工作过程中不会发生杆件断裂或变形的情况。
其次，变幅杆的连接点和传动装置需要进行充分的润滑和维护，以确保在工作过程中不会出现卡滞或摩擦不良的情况。
最后，操作人员需要严格按照操作规程进行操作，以确保在使用过程中不会发生意外事故。
总之，变幅杆作为一种常见的机械传动装置，在工程和机械设计中具有重要的应用价值。
通过改变杆的长度和角度，变幅杆可以实现力的变幅，使得机械装置在不同工况下能够适应并高效地完成作业任务。
在使用过程中，需要注意材料选择、润滑维护和操作规程，以确保变幅杆能够安全、可靠地工作。
希望本文对您对变幅杆的原理和应用有所帮助。
指数形扭转振动变幅杆的设计
中国计量学院本科毕业设计（论文）指数形扭转振动变幅杆的设计Design of Torsional VibrationExponential Horn学生姓名黄俊杰学号0900201513 学生专业测控技术与仪器班级09测控5班二级学院计量测试工程学院指导教师郑慧峰中国计量学院2013年5月郑重声明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名：日期：分类号：TB95 密级：公开UDC：621 学校代码：10356中国计量学院本科毕业设计（论文）指数形扭转振动变幅杆的设计Design of Torsional VibrationExponential Horn作者黄俊杰学号0900201513 申请学位工学学士指导教师郑慧峰学科专业测控技术与仪器培养单位中国计量学院答辩委员会主席李东升评阅人张斌2013 年6月致谢时光飞逝，岁月如歌，四年的大学生活即将在这个季节画上句号，但是对于我的人生只是一个逗号，我将踏上人生新的征程。
在师长、亲友的鼓励和支持下，我走完了四年求学生涯，虽然艰辛但是获益匪浅，在论文即将付梓之际，思绪万千，久久不能平静。
本论文最终能顺利完成，要感谢的人有很多。
首先，我要由衷的感谢我的导师郑慧峰老师，从确定课题开始，郑老师就悉心为我点拨，为我之后课题的设计和深入研究奠定了扎实的基础。
在论文的撰写过程中，郑老师多次仔细阅读全文，并帮我修改论文中不合理的地方，提出宝贵的意见，使我收获良多。
同时我也积极与老师交流，使这篇论文能够更加完善。
郑老师严谨的教学，渊博的学识，宽阔的视野以及创新的精神为我营造了一种良好的精神氛围，让我能够全身心的投入到课题的研究中去。
基于有限元的超声复合变幅杆的动力学分析及优化设计
基于有限元的超声复合变幅杆的动力学分析及优化设计
随着科学技术的发展，超声波技术在医学、工程等领域中应用日益广泛。
超声复合变幅杆是一种基于超声波原理的新型变振幅装置，具有振动幅度大、频率可调、能量传递高等优点。
本文基于有限元方法对超声复合变幅杆的动力学进行分析，并进行优化设计。
首先，本文对超声复合变幅杆的结构进行了建模。
通过有限元软件对变幅杆的材料进行建模，确定了杆件的几何形状和材料属性，并进行了网格划分。
然后，根据超声波的传播原理，建立了超声波在变幅杆中的传播模型。
考虑到杆件的材料的非线性特性和超声波的传播特性，采用有限元方法对超声波的传播过程进行了模拟计算。
接下来，本文对超声复合变幅杆的动力学性能进行了分析。
通过有限元分析软件对变幅杆在不同工况下的振动响应进行了模拟计算，并得到了变幅杆的频率响应曲线和振动幅度。
同时，分析了杆件的应力、应变分布情况，评估了变幅杆的结构强度和稳定性。
最后，本文针对超声复合变幅杆的动力学特性进行了优化设计。
通过调整杆件的几何参数和材料属性，优化了变幅杆的频率响应和振动幅度。
同时，对杆件的应力和应变进行了优化，提高
了变幅杆的结构强度和稳定性。
通过优化设计，使超声复合变幅杆的性能得到进一步提升。
综上所述，本文基于有限元方法对超声复合变幅杆进行了动力学分析，并进行了优化设计。
通过对变幅杆的结构进行建模和分析，得到了变幅杆的频率响应和振动幅度。
通过优化设计，改善了变幅杆的动力学性能，提高了杆件的结构强度和稳定性。
这对于超声波技术的应用和超声波设备的设计具有重要的理论和实际意义。
变幅杆设计理论
变幅杆设计理论变幅杆设计理论超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器。
在超声技术中，特别在高声强超声设备的振动系统中是很重要的。
其主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。
我们知道，超声换能器辐射面的振动幅度在20kH范围内只有几微米。
而在高声强声应用中，如超声加工、超声焊接、超声金属成型（包括超声冷拔管飞丝和铆接等）和某些超声外科设备及超声疲劳试验应用中，辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米。
因此必须在换能器的端面连接超声波变幅杆，将机械振动幅度放大。
除此以外，超声波变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量有效地从换能器向负载传输。
超声波变幅杆的性能可以用许多参数来描述。
在实际应用中最常用的是：共振频率（共振长度）、放大系数、形状因数、输入力阻抗和弯曲劲度等。
放大系数是指变幅杆工作在共振频率时输出端和输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，值越大，所能达到的最大振动速度也越大。
输入力阻抗定义输入端策动力与质点振动速度的复数比值。
在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负荷的变化要小。
弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数。
变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。
弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。
在超声波焊接的应用中，人们根据实际需要研究出各种类型的变幅杆。
最简单也是较常用的变幅杆有：指数形，悬链线形，阶梯形和圆锥形变幅杆。
这类变幅杆称为单一变幅杆。
此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种组合型变幅杆，这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组成。
在实际应用中还出现一些由多个单一变幅杆级联工作的组合系统，这是另一个问题。
除了上面提到的变幅杆外，在某些应用中有时还需要一些非杆形的振动振幅变换器，其形状有盘形、长方形等，我们称其为变幅器。
悬链线形变幅杆的理论研究和有限元分析
悬链线形变幅杆的理论研究和有限元分析作者：刘亚慧付志强来源：《安徽理工大学学报·自然科学版》2011年第04期摘要：根据一维变截面杆纵向振动的波动方程，推导了悬链线形变幅杆的等效电路，由等效电路得出了其纵向振动的频率方程。
利用有限元软件ANSYS对一组悬链线变幅杆进行谐响应分析和模态分析，得到了位移-频率曲线和共振频率；结果表明，模态分析值与理论值吻合很好。
这对悬链线形变幅杆的实际应用具有一定的参考意义。
关键词：悬链线形变幅杆；等效电路；共振频率；模态分析中图分类号：O421.2文献标识码：A文章编号：1672-1098(2011)04-0025-03收稿日期：2011-05-资助项目：安徽理工大学青年教师科学研究基金资助项目作者简介：刘亚慧(1978-)，女，陕西西安人，讲师，硕士，主要从事大学物理的教学与研究。
Theoretical Study and Finite Element Analysis of Catenary Linear HornLIUYa--(1. Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Institute of Applied Acoustics, Shaanxi Normal University, Xi'an Shaanxi 710062, China）Abstract:Based on the wave equation of one-dimensional longitudinal vibration of variable cross-section rod, the equivalent circuit of the catenary transformers is deduced. According to the equivalent circuit, the resonance frequency equation is derived. A set of catenary transformers are analyzed by the finite element analysis software ANSYS, the resonance frequency and the curves of displacement and frequency are obtained. It is shown that the simulation results are consistent with that of the theory. The conclusions are beneficial to the engineering design and calculations of catenary transformers.Key words:Catenary linear horn; equivalent circuit; resonance frequency; modal analysis在超声技术中，特别是在高声强超声设备的振动系统中，超声变幅杆是很重要的一部分，其主要作用是振幅放大和阻抗匹配［1］。
纵扭与弯曲超声变幅杆的设计研究
纵扭与弯曲超声变幅杆的设计研究摘要：纵扭与弯曲超声变幅杆是一种用于测量材料中的超声波信号的设备。
本文通过对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计研究，分析了其工作原理和设计要点，并对其性能进行了实验验证。
研究结果表明，纵扭与弯曲超声变幅杆具有较高的测量精度和稳定性，适用于材料中超声信号的测量。
关键词：纵扭与弯曲超声变幅杆；设计；工作原理；性能；实验验证引言：纵扭与弯曲超声变幅杆是一种常用的超声测量设备，广泛应用于材料科学、工程结构等领域。
其通过测量材料中传播的超声波信号，可以得到材料的声学特性参数，为材料研究和工程设计提供重要依据。
因此，对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计进行研究具有重要意义。
方法：本文首先对纵扭与弯曲超声变幅杆的工作原理进行了分析。
在纵扭与弯曲超声变幅杆中，超声波信号通过传感器引入杆中，经过杆的纵扭和弯曲作用后，再由传感器接收并转化为电信号。
根据传感器接收到的电信号，可以计算出材料中的超声波信号参数。
接下来，根据工作原理，对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计要点进行了总结。
设计要点包括传感器的选择和布置、杆的材料和结构设计等。
最后，通过实验验证了纵扭与弯曲超声变幅杆的性能。
结果与讨论：实验结果表明，纵扭与弯曲超声变幅杆具有较高的测量精度和稳定性。
在不同材料中进行的超声波信号测量中，纵扭与弯曲超声变幅杆均能准确获取超声波信号的参数。
此外，纵扭与弯曲超声变幅杆的设计要点对其性能影响较大。
合理选择传感器和设计杆的结构可以提高纵扭与弯曲超声变幅杆的测量精度和稳定性。
结论：本文通过对纵扭与弯曲超声变幅杆的设计研究，分析了其工作原理和设计要点，并通过实验验证了其性能。
研究结果表明，纵扭与弯曲超声变幅杆具有较高的测量精度和稳定性，适用于材料中超声信号的测量。
这对于材料科学和工程结构的研究具有重要的意义，为相关领域的研究和应用提供了一种有效的测量手段。