[发明专利]一种空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计方法

说明书

一种空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计方法，属于功率超声变幅杆设计领域。本发明技术要点：一、计算面积系数N；二、计算圆波数k；三、计算αsubgt;2/subgt;、ksubgt;z/subgt;、大端圆柱段长度Lsubgt;1/subgt;、过渡段长度Lsubgt;2/subgt;、小端圆柱段长度Lsubgt;3/subgt;、蜿蜒指数β；四、计算位移节点xsubgt;0/subgt;；五、计算形状因数φ；六、计算放大系数Msubgt;p/subgt;；七、确定变幅杆过渡段的形状；八、运用模拟软件依据步骤一至步骤七中给定的数据和计算的结果进行数值模拟，对空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计进行优化。本发明适用于空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计。

技术领域

本发明属于功率超声变幅杆设计领域，具体涉及一种空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计方法。

背景技术

超声变幅杆又称超声变速杆、超声聚能器，超声变幅杆是超声振动系统中的重要组成部分，在超声技术中，特别在高声强超声振动系统中尤为重要。

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在较小的面积上，即聚能作用。

超声变幅杆可分为单一型和复合型，复合型变幅杆由单一型变幅杆组合而成，复合型变幅杆与单一型变幅杆相比，具有很多优点，如可以提高形状因数、增大放大倍数，同时还可以满足某些实际应用的特殊设计。

目前，复合型超声变幅杆多为实心结构，并且放大系数有限，在此基础上想获得更高的放大系数，唯有增大端面直径，这势必造成径向振动增大，反而制约了能量在小端的聚焦，进而影响功率超声装置的整体放大系数。

而空心变幅杆，在不需要增大变幅杆端面直径的条件下，便可获得更大的放大系数，此外，在某些特殊的实际应用中往往需要空心的超声变幅杆，如空心变幅杆可以更容易的和其它设备复合使用、空心变幅杆在超声加工中更容易实现对设备的冷却等。

然而，空心复合型变幅杆的设计缺少相关数学模型，而且没有完整的理论体系，为此，本发明提出了一种空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计方法。

发明内容

本发明为了解决现有复合型变幅杆多为实心结构，缺少空心结构，以及实心超声变幅杆的放大系数有限的问题，提出了一种空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计方法。

一种空心带指数形过渡段的复合型超声变幅杆的设计方法，它是按以下步骤实现的：步骤一、变幅杆过渡段的母线形状为指数形，两端为等长的圆柱体结构，圆柱体的横截面外直径分别与指数形过渡段的大、小端面外直径相等，变幅杆带有圆柱形通孔，设变幅杆的大端端面外直径为D₁，小端端面外直径为D₂，中心孔直径为D₀，面积系数为N，则：

给定D₁、D₂、D₀时，利用(1)式即可求出N；

步骤二、设变幅杆所用材料的杨氏模量为E，密度为ρ，超声波在变幅杆中的传播速度为C，变幅杆的谐振频率为f，圆波数为k，则：