[发明专利]一种柱孔式纵-扭复合模态超声换能器

说明书

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，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，复合变幅杆采用半波长结构，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；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，降低了换能器的等效质量，使系统获得较低的共振频率，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；同时加工5个围绕圆锥部分小端辐射面周期分布的扇柱形孔，有效地提高换能器的扭转分量。

技术领域

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

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。

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。

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。

[1]林书玉. 斜槽式纵-扭复合模式压电超声换能器的研究[J]. 声学学报,1999, 24(1): 59-65。

[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。

[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。

[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。

[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。

[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。