输出端为锥形的夹角型超声变幅杆-云南大学学报自然科学版.PDF

云南大学学报（自然科学版），２０１６，３８（５）：７３７～７４１ ＤＯＩ：１０．７５４０／ｊ．ｙｎｕ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 输出端为锥形的夹角型超声变幅杆∗ 时瑞堂，贺西平，张海岛，闫秀丽 （陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西省超声重点实验室，陕西 西安　 ７１０１１９） 摘要：传统超声变幅杆能量沿轴线方向传播，有些应用场合需要改变纵振动传播方向，并有较好的振幅放 大系数．作者提出了输入端为均匀圆柱、输出端为锥形的夹角型超声变幅杆．为了研究该文所提出的变幅杆的 声学特性，利用有限元方法计算了不同尺寸超声变幅杆纵振动的谐振频率、放大系数与位移分布．结果显示，谐 振频率、放大系数都与变幅杆的夹角、输入输出杆的几何尺寸有关；同尺寸锥形输出杆的变幅杆比均匀杆输出 杆的放大系数更大，影响振幅放大系数的主要因素是变幅杆的截面比．加工了９个不同尺寸变幅杆并利用激光 测振仪测试了其振型、频率、与振幅放大系数，结果表明在输出端上成功实现了纵振动传输，振幅得到了放大， 且放大系数测试值与计算值基本一致． 关键词：超声变幅杆；纵振率频；夹角；放大系数；位移分布 － － － 中图分类号：Ｏ４２６．２　 　 文献标志码：Ａ　 　 文章编号：０２５８ ７９７１（２０１６）０５ ０７３７ ０５ 　 　 功率超声已应用于国防、工业、农业以及生活 匀圆柱、输出端为锥形的夹角型超声变幅杆，基于 等各个方面．超声变幅杆是功率超声振动系统关键 有限元法，对该型变幅杆进行了研究，计算了该型 部件之一，起着聚集超声能量、振幅放大和阻抗匹 变幅杆的纵振动谐振频率、振型、放大系数及位移 配的作用．传统变幅杆能量沿轴线方向传播，如圆 分布，得到了这些参数与变幅杆尺寸的关系．利用 锥型，指数型，悬链线型，阶梯型等，以前的文献已 激光测振仪测试了变幅杆的频率、振型与放大系 － ［１ ２］ 经进行了很多研究 ．为了获得大振幅的变幅杆， 数，测试结果与有限元计算结果一致． 文献［３］提出的贝塞尔曲线形变幅杆，放大系数比 １　 有限元计算 相同尺寸的悬链线形变幅杆高７１％．文献［４］报道 了外形为Ｂ 样条曲线的变幅杆，该变幅杆的振幅 输入端为均匀杆，输出端为锥形杆组成的夹角 放大系数比传统的悬链线变幅杆大４１．１％，比贝塞 结构的锥形超声变幅杆，如图１所示．建立变幅杆 尔曲线形变幅杆大８．６％．文献［５］提出了具有夹角 的有限元模型，以两杆中心轴线的连接处为原点， 结构的超声变幅杆，实现了纵振动传输方向的改 输入杆轴线与ｘ轴重合，ｌ 和ｌ 分别为输入和输出 １ ２ 变．文献［６］利用矩阵解析法对夹角型变幅杆的设 杆的长度，ｒ 为输入杆的半径，ｒ 和ｒ 分别为输出 １ ２ ３ 计提供了理论参考．文献［７］研究发现常见变幅杆 杆的前端与后端半径，θ为两杆中心轴线之间的夹 的节点与应变极大点位置之和基本等于变幅杆一 角．ε为杆轴线上各点的纵振动位移，Ｕ 、Ｕ 为杆轴ｘ ｙ