[发明专利]基于声子晶体槽的超声波振动系统及其径向振动抑制方法

说明书

一种基于声子晶体槽的超声波振动系统及其径向振动抑制方法，级联式压电陶瓷复合换能器的输出端上设置有超声波变幅杆，超声波变幅杆的输出端上设置有具有声子晶体周期槽结构的圆柱工具头。本发明的金属圆柱工具头上加工有声子晶体周期槽后具有径向振动频率带隙，将本发明的工作频率包含于金属圆柱工具头径向振动频率带隙内，则金属圆柱工具头的径向振动得到抑制，同时，振动系统中的纵向振动得到加强，且改善了金属圆形工具头纵向辐射面上的纵振动位移分布的均匀程度。

技术领域

本发明属于超声振动技术领域，具体涉及到一种基于声子晶体周期槽的大尺寸超声波圆形振动系统及其径向振动抑制的设计方法。

背景技术

随着超声技术的发展，功率超声波技术在机械制造领域的应用日趋广泛，例如超声波机械加工、超声波金属以及塑料焊接、超声波珩磨、超声波金属成型等等。针对此类大功率超声波技术应用，超声波振动系统主要由三部分组成，即夹心式功率超声换能器、超声波变幅杆以及各种不同形状的超声波振动工具头。其中，夹心式功率超声换能器和超声波变幅杆是功率超声振动系统的通用组成部分。一般来说，针对各种不同的功率超声波技术应用，夹心式功率超声换能器和超声波变幅杆的结构和形状是不会发生明显的变化的，但超声波振动工具头则必须适应各种不同的技术需求，也就是说，针对不同的功率超声技术应用，需要设计和加工不同形状及不同用途的超声波振动工具头。

在功率超声振动系统中，夹心式功率超声换能器的作用是将一定频率及一定功率的高频电能借助于压电陶瓷材料的压电效应转换成超声频的机械振动。超声波变幅杆的作用是将压电陶瓷换能器产生的超声频机械振动加以放大，以满足不同的功率超声技术的特殊要求。超声波工具头则是根据具体的超声波应用技术而设计的独特的超声波振动体，通过超声波工具头各种不同的形状和结构设计，将换能器和变幅杆产生的超声振动有效的传递给各种不同的工件中，满足不同的功率超声技术应用需求。

根据不同的功率超声技术应用，例如超声波加工以及超声波焊接等，常用的超声波工具头包括金属细长棒、粗短金属圆柱体(也包括圆环体)、矩形六面体以及立方体等。

对于功率超声振动系统的设计，传统的设计方法是基于一维纵振动理论。这一理论要求振动系统的横向几何尺寸要远小于其纵向几何尺寸。一般情况下，当振动系统的横向几何尺寸小于纵振动波长的四分之一时，一维纵振动理论的理论设计结果与实际值基本符合。如果大功率超声振动系统的几何尺寸不满足一维理论的要求，将会出现比较大的设计误差，此时，一维纵振动设计理论不再适用，必须发展新的设计理论。

随着功率超声技术的发展，越来越多的功率超声振动系统的几何尺寸不满足一维纵向振动理论的要求，例如为了加工或者焊接尺寸较大的机械部件，必须选择相应几何尺寸的超声波工具头。此时超声波工具头的横向几何尺寸接近于工具头的纵向尺寸，有时可能大于其纵向尺寸，此时传统的一维纵振动设计理论不再适用。对于大尺寸的超声波工具头，由于横向振动以及耦合振动的出现，工具头辐射面的纵振动位移分布的均匀程度变差，导致超声波的作用效果下降，严重影响产品质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、工作效率高的基于声子晶体槽的大尺寸超声波振动系统。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：级联式压电陶瓷复合换能器的输出端上设置有超声波变幅杆，超声波变幅杆的输出端上设置有具有声子晶体周期槽结构的金属圆柱工具头。

作为一种优选的技术方案，所述的级联式压电陶瓷复合换能器包括至少2组压电陶瓷晶堆，相邻压电陶瓷晶堆之间设置有金属圆柱体。

作为一种优选的技术方案，超声波变幅杆是由阶梯型变幅杆、圆锥形变幅杆、指数型变幅杆、双曲线型变幅杆中得一种或2种串联构成。

作为一种优选的技术方案，所述的具有声子晶体周期槽结构的金属圆柱工具头为金属圆柱体的侧壁上沿圆周方向设置有径向槽。