4波长指数形复合变幅杆的超声换能器设计
第５期 ２００９年５月 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
文章编号：１００１—３９９７（２００９）０５—０００１—０３
带有１／４波长指教形复合变幅杆的超声换能器设计术
· 李贵花 张向慧 傅水根 左晶ｚ高炬
算 （ 北方工业大学机电工程学院，北京１００１４４）（ 清华大学基础工业训练中心，北京１０００８４）
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｑｕａｒｔｅｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｈｏｒｎ
ＬＩ Ｇｕｉ—ｈｕａ ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｈｕｉ ，ＦＵ Ｓｈｕｉ—ｇｅｎ２，ＺＵＯ Ｊｉｎｇ ，ＧＡＯ Ｊｕ
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ００ １ ４４，Ｃｈｉｎａ）
（ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ）
【摘要】介绍了适合于旋转超声加工的纵向复合式超声换能器的设计。对其进行了理论分析，详细ｌ
；阐述了结构特点、振动方程、振速分布及应力分布等，并获得了换能器振子振幅放大系数、位移节点及应；
：力极大点等参数。然后采用有限元软件ＡＮＳＹＳ对其进行模态和谐振分析，得到的结果与理论结果比较，：
６满足工程设计的需要，表明采用有限元法进行分析能够获得较高的精度。 ６
； 关键词：超声换能器；理论分析；有限元；ＡＮＳＹＳ；模态分析；谐振分析 ；
ｌ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒｏｔａｒｙ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ：
３ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ｉｔ ａｒｇｕｅｓ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｔｕｒｅ， 一５
ｌ ｂｒａｔｉｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ，ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｅｔｃ．ｉｎ ｄｅｔ￣ｌ，ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆａｍｐｌｉ－ｌ
；ｔｕｄｅ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｎｏｄａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｉ
ｊ ｏｆｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ
！ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｌｌｅｄ ＡＮＳＹＳ． ｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１
； ｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ＦＥＭ ｒｅｓｕｌｔｓ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ａ ｒｅｍａｒｋａｂ 动ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｏｆＡＮＳＹＳ． ｛
｛ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ＦＥＭ；ＡＮＳＹＳ；Ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｈａｒｍｏｎ－ｊ ；ｉｃ ａｎａｌｖｓｉｓ ； Ｉ 中图分类号：ＴＨ１６。ＴＢ５５文献标识码：Ａ
１纵向复合式超声换能器
１．１纵向复合式超声换能器的结构特点
纵向复合式超声换能器的结构，如图１所示。主要由后盖板、
压电陶瓷堆、电极、前盖板、预应力螺栓和绝缘管组成。其主要特
点是：（１）既利用了压电陶瓷的纵向效应，又得到了较低的共振频 率；（２）由于压电陶瓷本身的特点，即抗张强度差，在大功率工作
状态下容易发生破裂，通过采用金属块以及预应力螺栓给压电陶
瓷圆片施加预应力，使压电陶瓷圆片在强烈振动时始终处于压缩 状态，从而可以避免压电陶瓷片的破裂；（３）由于压电陶瓷属于一 种绝缘性材料，因此其导热性能很差，在大功率状态下极易发热，
从而造成能量的转换效率下降。在夹心式压电陶瓷换能器中，由
于使用了金属前后盖板和厚电极，换能器的导热性能得到很大的
改善；（４）在纵向复合换能器中，通过改变压电陶瓷材料、电极和 金属前后盖板的的几何尺寸和形状，可以对换能器进行优化设
计，来获得不同的工作频率和其他一些性能参数，以适应不同的
工作环境和应用场合。 １－２纵向复合式换能器的理论分析
物体在弹性介质中发生振动时会引起介质的振动，所有固体
在研究振动波时都可以看作是弹性体。介质各点之间存在着弹性
的联系，物体的振动在弹性介质中传播。假设有一任意截面的均 匀细杆，其横截面积小于工作频率所对应的材料中波长的１／４，可
视为细杆作一维纵振动，即平面纵波沿杆轴向传播，在杆的横截
面上应力分布是均匀的（不计机械损耗）。根据牛顿定律可以确定
变截面杆纵向振动的波动方程。如图２所示，对称轴为 轴，作用
在小体积元（ ，ｘ＋ｄｘ）上的张应力为： ｄｘ。 Ｏ＇Ｘ
后盖板压电陶瓷电极绝缘套 前盖板 图１纵向复合式超声换能器的结构 Ｆｉｇ．１ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
图２任意截面细杆作一维纵振动 Ｆｉｇ２ Ｒｏｄ ｏｆ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｏｎｅ￣ｔｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ 根据牛顿定律可得出动力学方程：
★来稿日期：２００８—０７～１６ ★基金项目：北京市教委科技计划项目资助（ＫＭ２０Ｏ８１Ｏ¨００９０Ｏ３）
２ 李贵花等：带有１／４波长指数形复合变幅杆的超声换能器设计 第５期
ｄｘ—Ｓ Ｐ等ｄｘ （１）
式中：ｓ＝ｓ（ ）一杆的横截面积函数； （ ）一质点位移函数；ｏ－＝ｏ－
（ ）＝Ｅ 一应力函数；ｐ一杆材料的密度； 一杨氏模量。
如果做简谐振动，则 ，可得出变截面杆纵振动的波动 方程为：
＋ ‘誓’鲁＋ ０ （２）
式中： 一圆波数，ｋ＝ｗ／ｃ； 一圆频率；ｃ—纵波在细棒中的传播速
度，ｃ： 一。
闪为振速ｖ＝ｊｏｇ，代２ｋ￣（２）式，叮得到变截面杆纵振动的振速
方程： 鲁专案‘ ＋ｋ２ｖ＝Ｏ （３）
１．２．１均匀等圆截面杆
如果是均匀等截面，即５（ ）＝常数，则可得到均匀等截面杆
的振速方程：
ｔ－ｋ４＝Ｏ （４）
解方程（４），可得均匀等截面杆的振速通解为：
ｖ（ｘ）－Ａ ｓｉｎｋｓ＋Ｂｃｏｓｋｘ （５） 其弹性力、应力分别为：
）： ：却 ｓ（ 。 ｋ 一Ｂ ｉ ｈ）
Ｚ（Ａ ｃｏｓｋｘ－Ｂｓｉｎｋｘ） （６）
（ ）＝ ＝－ｊｐｃ（ ｃｏｓｋｘ—Ｂｓｉｎｋｘ） （７）
式中：ｚ－＿材料的特性声阻抗，Ｚ＝ｐｃＳ。 １．２．２圆截面指数形杆
圆截面指数形杆的大端半径为Ｒ ，小端半径为Ｒ ，则可写出 其半径及面积变化函数分别为：
Ｒ＝Ｒｓｅ－￣ （８）
５＝Ｓ 母 （９） 式中： 蜿蜒指数，是决定截面变化快慢的函数。ｆｌｌ＝ｌｎＮ，Ⅳ ５／ Ｒ６一面积系数；卜一杆的长度。 将（９）式代入（３）式，可得圆截面指数形杆的振速方程：
鲁一 · ＋ｋ４＝０ （１０）
解方程（１０），可得圆截面指数形杆的振速通解为：
（ ）＝ｅ （ ｓｉｎ ＋ ｃｏｓ ） （１ １）
其弹性力、应力分别为：
）： ． ： ｌＯ９ ０ｘ ｋ ［Ａｅ￣（ｆｌｓｉｎｋ＇ｘ＋ｋ ｃｏｓｋ＇ｘ）＋Ｂｅｅ＇（／３ｃｏｓｋ＇Ｘ一 ｓｉｎｋ＇ｘ）］ （１２）
（ ）＝ Ｏｖ：
［Ａｅｔ￣（ｆｌｓｉｎｋ＇ｘ＋ｋ ｃｏｓ ）＋曰ｅ （ ｃｏｓ 一ｋ ｓｉｎｋ＇ｘ）］ （１３）
其中， ＝、／
１．３纵向复合式换能器的设计
下面对纵向复合式换能器进行分析，如图３所示。换能器为
圆截面，１、３为压电陶瓷片，２为电极，４为后盖板，５、６为复合指
数形前盖板，其节面位于前盖板与压电陶瓷晶堆的结合面。假定
换能器振子的前表面振速为 弹性力为 一Ｚｌ ，，其中 是换能 器前表面的输入阻抗；后表面振速为 通常换能器的后表面暴
露在空气中，其弹性力为零。
图３纵向复合式换能器振子模型 Ｆｉｇ．３ Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｍｏｄｅｌ 下面分别推导节面两侧的频率方程。节面左侧由四部分组
成，节面右侧由两部分组成。各部分的坐标、边界条件、尺寸标注 等用角标ｎ区别表示，首先求解节面左侧的频率方程，换能器振
子左侧振速方程及其通解为：
年“ ０ ｎ＝ｌ，２，３，４ （１４） ｄｘ （ ） ｓｉｎｋ，，ｘｎ＋Ｂ ｃｏｓｋ，，ｘ （１５）
其弹性力及应力分布为： （％）：粤 ． 】ｎ：珈 （ ｎｃｏｓｋ －Ｂ．ｓｉｎ ） ，０９ ｄＸ （Ａ ｃｏｓｋ．ｘ．－Ｂ ｓｉｎｋ￣ ） （１６） （‰）＝－Ｅ · Ｌ＝￣ｊＰＣ （』４ ｃｏｓ 一曰ｓｉｎｋ．ｘ ） （１７） ＪⅢ ｎ 由此可得节面左侧的频率方程：
Ｚ４ ｔａｎｋｎ／４ｔａｎｋ３／３＋ 生ｔａｎ ４／４ｔａｎｋ２／２ Ｚ３ Ｚ２ ＋墨生＿ｔａｎ ４ｔａｎ １Ｚ】＋墨 ｔａｎ ３ｔａｎ ２十墨 ｔａｎ ３ｔａｎｋｌＺｌ＝１ （１８） ｚ１ Ｚ２ Ｚ１ 下面推导节面右侧的频率方程，换能器振子右侧振速方程及 其通解为：
年 ５４５＝０ （１９） ＯＸ５ Ｖ５（ ５）；４ ５ｓｉｎｋｓｘｓ＋Ｂ５ｃｏｓｋｓｘ５ （２０）
· ＋ｋ６２ｖ６＝Ｏ （２１） ｄｘ６＂ｄＸ６ Ｖ６（Ｘ６）＝＝ｅ风（Ａ ６ｓｉｎｋ６＇ｘ６＋Ｂｓｃｏｓｋ６ Ｘ６） （２２） 其弹性力及应力分布为：
（ ５）＝却５ｃ ５（ ５ｃｏｓｋｓｘｓ－－Ｂｓｓｉｎｋｓｘ５） Ｚ５（Ａ ５ｃｏｓｋｓｘ￣－Ｂ５ｓｉｎｋｓｘ５） （２３）
（Ｘ５）＝— · ５＿＝—： ５ｃ５（Ａ ５ｃｏｓ ｒＢｓｓｉｎｋｓｘ５） （２４） ｌＯ９ ０优 Ｘ６）＝ ·［Ａ ｏｅｍ（ｆｌｓｉｎｋ６＇ｘ６＋ｋ６ ｃｏｓｋ６＇ｘ６） 几６ ＋Ｂ 风（卢ｃｏｓ ６＇ｘ６－－ｋ６＇ｓｉｎｋ６ ｘ６）］ （２５）
ｏ－（Ｘ６）＝ 卫 ·［Ａ ｏｅｔ￣（／３ｓｉｎｋ６ ６ ｃｏｓｋ６＇ｘ６） ６ ＋Ｂ６ｅ￣（ｆｌｃｏｓｋ６＇ｘｃ－ｋ６ ｓｉｎｋ６＇ｘ６）］ （２６） 由上述各式以，计算待定系数Ａ ｓ，Ｂ 、Ａ 、Ｂ 。同样将各待定系
数代人（２０）、（２２）、（２４）、（２６）式，可得各振速分布和应力分布式，
这里由于待定系数较长，就不再一一列出。
由此可得节面右侧的频率方程：
（ｋ６２４－￣ ）ｔａｎｋｆｌ５ｔａｎｋ６／６－－ｋ５ｆｌｔａｎ／６／６＝ｋｓｋ６ （２７） 换能器振子前后振速之比，由图３可知，节面处边界条件为
弹性力连续，
则
超声变幅杆的应用与发展
Science&TechnologyVision1变幅杆的功能简介超声变幅杆是超声振动系统中的重要组成部分，又称为超声聚能器和超声变速杆。在超声技术中它不仅具有放大机械振动系统质点的位移或速度功能，还具有将振动能量聚集和匹配系统阻抗的作用。在超声振动系统中，换能器是整个系统的振动源，但是在振动频率高达2000Hz的范围内，换能器端面的输出振幅仅有几微米，这样达不到实际使用的要求，在这种情况下就需要在换能器上安装变幅杆体到增幅作用。当换能器向液体介质辐射声场时，由于声波在传播的过程中经过不同的介质阻抗不匹配，导致能量的传输效率下降，此时就可以使用变幅杆通过增大辐射面积来进行阻抗匹配，从而提升了能量传输的效率。随着声学技术的发展，变幅杆的应用愈加广泛，将会发挥更大的作用。2变幅杆的研究现状2.1发展历史为了提高超声应用系统的功率和效率，人类早在20世纪40年代就发明了纵振指数型变幅杆，到了50年代悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆被苏联学者提出。60年代对变幅杆的研究更加深入，对变幅杆的设计要求更细更高，提出了描述变幅杆形状因数的概念，并成功设计出高斯型变幅杆，该变幅杆具有应力沿杆件均匀分布的特点从而提高了变幅杆的使用寿命并获得高位移振幅。80年代森荣司等又提出夹心弯曲换能器结构，90年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构，随着换能器技术的进步与之匹配的变幅杆也得到了相应的发展，弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆也先后被研发并应用，这样使变幅杆的工业应用范围进一步扩大。变幅杆除了以上杆件形状外，等厚度或变厚度的盘形或环形以及大块状变幅杆在大功率超声冷拔丝、超声焊接、超声切割中得到应用。总之随着超声技术的进步变幅杆从简单到复杂，应用领域愈加广泛。2.2研究现状随着超声技术应用的日益广泛，对超声系统的要求也越来越高，变幅杆作为超声系超声变幅杆的应用与发展巩建辉赵鹏姚静基金项目院商洛职业技术学院2019年重大课题项目渊JXKT2019006冤遥摘要超声变幅杆是超声加工处理装置中重要的部件之一，在超声技术的应用发展中占有非常重要的位置。结合近年来超声技术的发展状况，综述了变幅杆的功能、发展现状、应用以及未来展望。通过介绍让更多的人了解超声变幅杆，熟悉超声技术，从而推动超声技术的发展。关键词超声技术；变幅杆；应用领域中图分类号:A61B17/32文献标识码:ADOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.24.29巩建辉副教授袁研究方向为超声技术研究袁商洛职业技术学院机电工程系遥赵鹏商洛职业技术学院机电工程系遥姚静商洛职业技术学院机电工程系遥772020年第24期/总第318期统的重要组成部分自然成为研究的热点问题之一，广大学者对超声变幅杆的设计研究从未停止。张然等设计了一种前端开横向矩形通孔的柱型变幅杆，利用有限元法计算了相关重要参数并进行优化，结果表明设计的变幅杆比传统变幅杆放大倍数有大幅提高。刘泽祥等优化设计了带中心孔的阶梯-圆锥型超声变幅杆，利用MATLAB进行数值求解，采用ANSYS对变幅杆进行动力学分析和优化设计，减少了设计周期和设计成本。总体来说目前变幅杆的设计类型主要有纵振、弯振、扭转振动以及纵扭复合振动变幅杆，其中纵振变幅杆研究最多。变幅杆的设计的基本方法有传统解析法、等效电路法、传输矩阵法、替代法、表观弹性法及有限元优化设计法等，其中有限元优化设计法成为当前的主要方法。有限元软件主要采用ANSYS，优化的主要目标是提高放大倍数、减小应力极值以及使谐振频率接近理论设计频率。主要通过改变几何尺寸和形状达到优化的目的，从而设计出符合实际要求的最佳性能变幅杆。3变幅杆的应用领域3.1超声加工变幅杆是超声加工系统的重要组成部分，主要应用于在超声加工中。超声加工与传统的机械加工相比，优点是加工的光洁度和精度高，易于微小孔加工与抛光，加工的时间明显缩短，提高了工作效能，还能够克服传统加工弊端，改善加工工件的质量，特别适合硬脆性难加工材料、航天航空等特殊材料领域解决了很多关键性的问题，因此超声加工被广泛应用于3C行业、航空航天、5G新材料和新能源等行业。3.2超声焊接超声焊接系统主要由超声波发生器、变幅杆和焊头组成，其中变幅杆所体的作用是将超声波发生器产生的机械振动变幅后传递给焊头，焊头将接收到的振动能量传递到待焊接工件的接合部，在该区域，振动能量被通过摩擦方式转换成热能，将需要焊接的部件区域熔化。超声波不仅可以被用来焊接金属、硬热塑性塑料，还可以加工织物和薄膜等。3.3超声清洗超声清洗机是由清洗槽、振动子和控制柜组成。振动子是它的核心组成部分由换能器和变幅杆组成，是超声波的产生源，是将高频电信号转化为高频振动，耦合到水中产生超声波。然后利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接作用，使污物层被分散、乳化和剥离而达到清洗的目的。3.4超声乳化超声乳化就是把两种互不相溶的液体在超声的作用下混合成乳浊液的工艺工程。超声乳化的应用较为广泛，可为农业制取某些农药乳剂，可使油水混合形成乳化液等。在超声乳化装置中变幅杆和换能器是装置的核心部分，其中换能器是超声波产生的波源，它能将电能转化为机械能，变幅杆接在换能器的输出端起到位移振幅放大的作用，变幅杆类似阶梯变幅杆，与阶梯变幅杆不同的是与换能器连接的地方有一斜削的过渡段，这样能够保证放大倍数接近阶梯变幅杆的理论值。3.5超声粉碎所谓超声粉碎是在超声的作用下，使液体中的固体颗粒或生物组织等破碎的过程。该技术广泛地应用在化工、医药、生物等领域。超声粉碎需要较大的位移振幅，这就需要使用变幅杆来放大换能器产生的振幅，一般采用多级复合变幅杆，变幅杆的具体类型根据粉碎的对象的不同而异。3.6超声搪锡是利用超声在锡液中产生的空化作用来除去浸于锡液中的金属表面的氧化物，从而使锡牢固地附着在该金属的表面上的一种工艺过程。现在铝导线或铝电缆的应用日益广泛，特别是在航空工业上的应用日益增多，超声搪锡具有非常重要的意义。变幅杆是超声搪锡装置中重要的部件之一，由于在搪锡过程中是高温环境所以主要采用磁致伸缩换能器和全波长变幅杆便于冷却。变幅杆除过以上应用外，还可以用于超声雾化、超声疲劳测试、超声马达、超声治疗等领域，由于篇幅有限这里不再一一列举。4变幅杆的应用展望随着科学技术的发展，超声技术应用愈加广泛，变幅杆作为超声处理装置中重要的部件之一，必然会更加深入的应用到机械加工、建筑、石油、化工、汽车、军事等更多的领域，这就对变幅杆的研发人员提出了更高的要求，依据各个行业领域的不同技术要求设计出更多更优的变幅杆为超声技术的进一步发展贡献自己的力量。参考文献[1]程存弟.超声技术[M].西安:陕西师范大学出版社，1993:99-115.[2]张然，崔晓娟，贺西平，王照伟.前端开孔的大振幅柱型超声变幅杆[J].云南大学学报（自然科学版），2020，42（1）:73-80.[3]李阿杰，李喜峰，徐兵，张建华.碟形超声变幅杆的设计[J].应用声学，2020，39（1）:133-142.78
一种超声换能器的设计及仿真
且应用技术 且应用骰木
一种超声换能器的设计及仿真木
刘晓光蒋晓明张理曹立超
（广东省智能制造研究所广东省现代控制技术重点实验室）
摘要：结合功率超声技术的实际工业应用，根据超声换能器的理论指导，设计一款夹心式功率超声换能器。 通过ＡＮＳＹＳ软件对所设计的换能器进行了有限元的仿真模拟，并制作了一个超声换能器的实物，验证了实物与 设计仿真的一致性。 关键词：夹心式换能器；有限元仿真；ＡＮＳＹＳ
０引言
功率超声技术是超声学的一个重要分支，而超声
换能器又是功率超声研究的核心内容。超声换能器有
许多性能描述的评价参数，如共振频率、机械品质因
数、阻抗特性、频率特性、频带宽度、电声效率、指
向性、发射和接收灵敏度等，其性能直接决定了超声
技术的应用效果和范围，因此，必须对换能器的有关
参数进行合理设计。当前功率超声领域应用最广泛的
大功率换能器为压电超声换能器，其中夹心式压电超
声换能器通过高强度螺栓给压电陶瓷片施加预应力，
使其在振动过程中始终处于压缩状态，避免了胞陛陶
瓷片破碎的同时也大大提高了换能器的输出功率和
电声转换效率［１］。
本文结合焊接、清洗等超声应用场合，采用
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ设计一种夹心式超声换能器，通过有限元
仿真对有关设计参数进行优化，并制作了换能器实
物，验证实物与设计的基本一致性。
１ 夹心式超声换能器的设计原则
夹心式换能器最早由法国物理学家郎之万发明，
因此也叫郎之万换能器 ］。目前，夹心式压电陶瓷换
能器己广泛应用于超声清洗、超声焊接、超声加工等
领域【５］。夹心式压电陶瓷换能器示意图如图１所示，
其中各部分结构都需要采用合适的材料且尺寸规格
也有一定的要求，以保证转换效率的最大化。 后匹配块宜采用重金属材料，如４５ 钢、铜等，
以使能量从换能器后表面的辐射量尽可能降低，提高
向前的辐射功率，一般较多采用圆柱或圆锥形状。在
保证材料足够高的强度下，图１中螺杆为预紧力螺栓，
超声变幅杆及其性能参数测试平台设计-本科毕业论文
本科毕业论文
(2015届)
题 目 超声变幅杆及其性能参数测试平台设计
学 院 机械工程学院
专 业 机械设计制造及其自动化
班 级
学 号
学生姓名
指导教师
完成日期 2015年5月
诚 信 承 诺
我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《超声变幅杆及其性能参数测试平台设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。
承诺人(签名)：
年 月 日
摘 要
本文从已知的变幅杆大小端直径、工作频率和材料出发，对超声加工系统中的变幅杆进行了研究。本文主要包括以下研究内容：
1.根据已有的变幅杆大小端直径，通过波动方程理论，完成对阶梯型、指数形、圆锥形三种变幅杆的外形设计计算。
2.利用有限元方法，借助有限元软件ANSYS对设计出的三种变幅杆进行动力学分析。先在SolidWorks中建立三种变幅杆的三维模型，再导入ANSYS中进行模态分析和谐响应分析。模态分析是指在规定超声波发生器所产生的振动的频率范围内，测定出变幅杆的各个固有频率。谐响应分析是指确定变幅杆的一个固有频率，并在变幅杆的一个固定断面施加一个正弦规律的振动，再测定变幅杆的自由端的振动变化。通过比较自由端和固定端的振幅大小变化，求出所设计的变幅杆的振幅放大比。
3.搭建实验测定平台。搭建了单独测定变幅杆放大系数的实验平台，还搭建了测定超声振动系统性能的实验平台，并对已有的变幅杆加以实验测定。通过阻抗分析仪、激光位移传感器等得到谐振频率、放大系数的实际测量数据，并判定了已有的超声振动系统的性能。
关键词：超声变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析；实验平台
ABSTRACT
Starting from the known diameters of both ends of ultrasonic horn, the
带工具的超声打孔换能器设计与分析
带工具的超声打孔换能器设计与分析
WU Chaoqun;LIU Chenyang;LUO Hao;GAO Guanglei
【摘 要】根据一维传输线理论设计了超声打孔换能器,采用Abaqus有限元分析软件对换能器进行模态和谐响应仿真分析,研究工具在不同直径、长度以及不同安装位置对换能器的谐振频率、节点位置的影响.仿真结果表明:工具直径和长度对换能器谐振频率的影响呈线性变化,随着工具尺寸增大换能器谐振频率降低,而刀具安装位置对位移节点位置的影响很小.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2018(047)006
【总页数】4页(P104-107)
【关键词】换能器;旋转超声加工;有限元分析;刀具
【作 者】WU Chaoqun;LIU Chenyang;LUO Hao;GAO Guanglei
【作者单位】;;;
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.9
0 引言
旋转超声加工装置包括超声电源、超声换能器、变幅杆和工具，超声换能器和变幅杆是超声振子的核心组成部分，因此国内外科研人员针对超声换能器和变幅杆的设计进行了大量研究[1-5]。换能器将超声电源输出的高频电信号(一般为15 kHz以上)转化为机械振动，变幅杆将振动振幅放大并传递到刀具末端，从而实现超声加工。传统超声换能器主要由前后金属盖板、压电陶瓷片以及铜电极等通过预应力螺栓连接起来，整个振子的厚度等于超声基波的半波长。改变压电陶瓷材料的厚度和前后盖板的几何尺寸和形状，可以对换能器进行优化设计，获得不同的工作频率和振动幅值[6]。变幅杆与换能器之间大多通过双头螺柱连接，但这种连接方式对连接表面质量要求高，连接效果也难以保证。一般情况下，加工刀具的尺寸和质量相较于变幅杆要小得多，在设计变幅杆时可以忽略其影响[7-8]。因此本文根据传统一维传输线理论设计了超声换能器和变幅杆尺寸，采用前盖板和变幅杆一体式设计，换能器和变幅杆各占基波长的1/4，整个超声加工系统为总波的半波长，可以减少加工量，提升换能器性能。
变幅杆的ANSYS分析设计
1
研究生课程论文
课程名称 现代设计方法
题 目 变幅杆的ANSYS分析设计
学 院 机电工程学院
专 业 机械工程
班 级
姓 名 张佳欢 向义河 胡鹏飞 吕建军
熊海亮 鲁中原 娄晓刚
指导教师 李刚炎
2014 年 12 月 15 日
2 变幅杆的ANSYS分析设计
摘要
由于很多材料的脆硬特性，传统加工方法已不能满足对这些材料零件的精密加工要求，尤其是在航空航天的需求更加强烈，超声波振动技术是日本首先提出来，然后超声振动精密切削技术便逐渐成为各国的研究热点。在设计超声波振动系统中，变幅杆的设计是核心部分，因此变幅杆是整个系统的核心部件。本文利用ANSYS有限元分析软件对变幅杆进行模态分析及谐响应分析，最终根据分析结果对变幅杆进行修正。
关键词：变幅杆，超声波，有限元分析
Abstract
Because a lot of hard brittle characteristics, traditional processing method has been can not
meet the requirement of the precision machining of these materials parts, especially in aerospace
needs more intense, ultrasonic vibration technology was put forward by Japan's first, and then
ultrasonic vibration precision cutting technology has gradually become the focus in the countries.
In the design of ultrasonic vibration system, the design is the core part of the amplitude, so the
超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析
超声焊接圆锥复合变幅杆的设计与分析
李永亮;王敬;马毓
【期刊名称】《机械科学与技术》
【年(卷),期】2022(41)3
【摘 要】针对超声塑料焊接变幅杆因加工对象不同而存在的设计难题,结合具体工程案例,综合了基于纵波传输理论的复合变幅杆的参数化建模、有限元模态与谐响应分析,阻抗分析与实验分析的一体化方法,实现了圆锥复合变幅杆的设计、建模及结构优化的高效性,准确性。结果表明:采用嵌入参数的建模可以更快的实现复合变幅杆结构设计及优化;有限元分析与阻抗分析方法在复合超声变幅杆的振型、频率特性分析上吻合度较高,试验测试满足设计要求;可以为单头超声塑料焊接复合变幅杆提供通用的设计、分析方法。
【总页数】6页(P357-362)
【作 者】李永亮;王敬;马毓
【作者单位】重庆工商大学机械工程学院;重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室
【正文语种】中 文
【中图分类】TB559
【相关文献】 1.圆锥过渡段阶梯形复合变幅杆的模态分析及优化设计2.圆锥形超声变幅杆的设计及实验分析3.超声波镗削复合振型变幅杆的设计与分析4.1/2波长圆锥过渡复合超声变幅杆优化设计5.大截面圆锥形超声变幅杆的设计及负载特性分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计
面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计
韩光超;潘高峰;刘初见;陈长新;杨航润
【摘 要】针对超声岩石取样加工过程需要不同比例纵扭振动输出需求,设计一种具有斜槽结构的纵扭复合阶梯型超声变幅杆.根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理,利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构,研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律.研究结果表明,在阶梯型变幅杆上合理设定斜槽的位置和结构参数可实现不同比例的纵扭振动输出,满足不同材质超声岩石取样加工需求.
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2016(000)007
【总页数】4页(P5-8)
【关键词】岩石取样;纵扭复合振动;阶梯型超声变幅杆;斜槽
【作 者】韩光超;潘高峰;刘初见;陈长新;杨航润
【作者单位】广西制造系统与先进制造技术重点实验室(广西大学),广西南宁530004;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;地质过程与矿产资源国家重点实验室(中国地质大学),湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074
【正文语种】中 文
【中图分类】TG663 超声岩石取样过程是通过岩石取样工具的纵向超声振动和岩石试样的柔性进给来实现岩石样品的磨削取样加工［1］。虽然通过取样工具的单向高频冲击可促进研磨颗粒对岩石的磨削加工过程，并有效提高岩石试样的取样成功率，但对于硬度较大的岩石样本，磨削取样加工效率仍然较低，需进一步改进。近年来，随着超声辅助切削加工应用研究的不断深入，纵扭、纵弯等复合振动超声辅助成形加工成为研究的热点。已有研究表明，纵扭共振复合超声加工比单一轴向振动超声加工具有更优良的加工特性。而实现纵—扭复合振动的途径按实现原理的不同基本可分为两大类：一类是通过纵扭超声换能器实现纵扭振动输出；另一类是利用纵向超声换能器实现单一轴向振动，然后通过纵扭复合超声变幅杆实现纵扭振动输出［2-3］。在纵扭复合振动超声变幅杆研究方面，唐军等通过开发圆锥过渡和指数过渡阶梯型纵-扭复合变幅杆，实现了单激励纵扭复合振动［4-5］。皮钧对变幅杆上增设圆环斜槽获得纵扭共振模态的基本原理进行了研究［6］。段翠芳等设计了一种带有斜槽圆环传振杆的阶梯形变幅杆［7］。刘建慧等对带斜槽的指数过渡复合变幅杆的振动特性进行了优化研究［8］。
三段圆柱体组成的节点在宽段的四分之一波长变幅杆频率方程的推导及C程序实现
三段圆柱体组成的节点在宽段的四分之一波长变幅杆频率方程的推导及C程序实现
苗超
【期刊名称】《矿业科学技术》
【年(卷),期】2004(032)004
【摘 要】超声变幅杆,又称超声变速杆、超声换能器.在功率超声的应用中,人们根据实际需要研究出各种类型的变幅杆,常见的有指数形、圆锥形等.其在超声技术中,特别是在高超声设备的振动系统中是很重要的.它的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到较小面积上,即聚能作用.本文研究了三段圆柱体组成的节点在宽端的四分之一波长的超声变幅杆,从理论上推导出该超声变幅杆的频率方程,并辅以C程序解此方程.
【总页数】2页(P21-22)
【作 者】苗超
【作者单位】广东惠东高级中学,广东,惠东,516321
【正文语种】中 文
【中图分类】O426
【相关文献】
1.夹心式复合变幅杆换能器频率方程的推导 [J], 秦雷;王丽坤;唐会彦;孙百生
2.用MSC．MARC程序实现大转矩三段弧鼓形齿联轴器应力分析研究 [J], 高素荷 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
超声微细加工中变幅杆的设计与制造
－３３・
超声微细加工中变幅杆的设计与制造
傅锦
（扬州市职业大学，江苏扬州２２５００２）
摘要：超声微细加工首先需要制造出作为工具使用的变幅杆。变幅杆的设计与制造在整个超声微细加工过程中具有十分重要的 作用。本文介绍了变幅杆在超声加工中的作用，常用不同形状变幅杆的功能、特点，并重点介绍了试验使用的阶梯形变幅杆和指 数形变幅杆的具体设计及制作过程。 关键词：超声微细加工变幅杆设计 中图分类号：ＴＣＸ￣３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６８ｓ６（２ｏＩｏ）０２—００３３—０５
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆＭｉｃｒｏ－ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ＦＵ Ｊｉｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏ—ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｃａｌｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔｏ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｔｏｏ１．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃ・ ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ ｐｌａｙ ａ ｖｉｔａｌ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏ—ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅｓｉｓ ｉｓ ａｉｍｅｄ ｔｏ ｇｉｖｅ ａｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｐｌａｙｅｄ ｂｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ ｉｎ ｍｉｃｒｏ—ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ａｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｒ ｓｈａｐｅｓ． Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｌａｉｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｅｐ ａｎｄ ｅｘｐｏｎｅｎｔ ｔｙｐｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ－ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｄｅｓｉｇｎ
一种新型扭转振动超声变幅杆研究
一种新型扭转振动超声变幅杆研究
赵学慧;林书玉
【摘 要】对一种新形状变幅杆进行了研究.根据刚体定轴转动的理论,推导得出变截面杆扭转振动方程,通过对反比例函数的优化,求出解析解.利用边界条件求出变幅杆的各项参数（放大倍数、谐振长度、频率方程以及输入阻抗）,并对输入阻抗随频率的变化进行研究.最后利用有限元软件Ansys对超声变幅杆扭转振动进行模拟.结果表明：共振频率的模态分析值与理论分析结果一致,这为变幅杆设计提供了依据.%In this work,a new kind of shape horn is studied.Based on the theory
of fixed-axis rotation of rigid body,the torsional vibration equation of
variable cross-section is established.By optimizing the inverse proportion
function,the analytical solution of ultrasonic horn is obtained.According to
the boundary conditions,the various parameters of ultrasonic horn,such as
the magnification,resonance length,and the input impedance are
derived.Finally,the model of ultrasonic horn′s torsional vibration is
simulated by using the finite element software ANSYS,the results of
resonance frequency modal are consistent with that of the theoretical