CN106423810B - 性能参数可变的超声波变幅杆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声波变幅杆，具体涉及一种性能参数可变的超声波变幅杆，包括变截面棒A和变截面棒B，在变截面棒A和变截面棒B之间还具有压电陶瓷晶堆，并且所述压电陶瓷晶堆连接着可变电阻抗，其中压电陶瓷晶堆分别与变截面棒A和变截面棒B接触连接。本发明基于压电陶瓷材料的压电效应，通过改变连接于压电陶瓷晶堆之间的可变电阻抗的性质和阻抗值，实现了超声波变幅杆性能参数，如共振频率以及位移放大系数的改变。
Description
技术领域
本发明属于超声波变幅杆领域，具体涉及一种性能参数可变的超声波变幅杆。
背景技术
超声波变幅杆，也简称超声变幅杆，又称为超声聚能器，超声变速器或超声固体喇叭。在超声技术中，尤其是在大功率高声强超声振动系统中，如超声金属和塑料焊接、超声波加工和成型、超声波钻孔以及研磨等应用中，超声变幅杆非常重要。它是一种借以获得高声强大位移振动幅度的固体超声器件，目前在功率超声和医用超声治疗器械中已相当普遍。它的主要作用是把机械振动的质点位移或振动速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，以达到聚能的作用。除此之外，超声变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量能够更有效地从换能器向声负载传输。
超声波变幅杆的应用，不仅在于提高超声波强度和改变声阻抗，还可以用作耦合棒。利用专门材料制成的超声变幅杆，可以避免换能器在某些应用中的磨损及腐蚀；使换能器不直接与腐蚀性材料接触，或使其不污染被处理物质，还可以使换能器离开高温条件，以保证不超过换能器材料的居里温度。此外为了使换能器与被加工材料之间达到最佳的声学耦合，用一定形状的超声变幅杆可以提高工作效率。
此外，超声波变幅杆还可以用于将超声振动系统与外界固定。一般情况下，通过将超声振动系统的固定法兰盘设计在变幅杆振动位移分布的波节处，可以实现超声振动系统的固定。此时法兰盘及外界固定装置对振动系统的影响可以忽略不计。
超声波变幅杆的性能可以用许多参量来描述。在实际应用中最常用的是：共振频率(共振长度)，放大系数，形状因数，输入力阻抗和弯曲劲度等等。放大系数，是指变幅杆工作在共振频率时输出端与输入端的质点位移或速度振幅的比值；形状因数是衡量变幅杆所能达到最大振动速度的指标之一，它仅与变幅杆的几何形状有关，形状因数值越大，所能达到的最大振动速度也越大；变幅杆的输入力阻抗定义为输入端策动力与质点振动速度的复数比值。在实际应用中常常要求输入力阻抗随频率及负载的变化要小；弯曲劲度是弯曲柔顺性的倒数。变幅杆越长，弯曲柔顺性越大，在许多实际应用中这是需要避免的。弯曲劲度也与变幅杆的几何形状有关。
在功率超声的应用技术中，人们根据实际需要研究出各种类型的变幅杆。最简单、也是较常用的变幅杆有：指数形、悬链线形、阶梯形和圆锥形变幅杆。这类变幅杆统称为单一变幅杆。此外，为改善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种组合型变幅杆，这类变幅杆由两种以上不同形状的杆组合而成。在实际应用中还出现一些由多个单一变幅杆级联工作的组合系统。
传统的超声波变幅杆，也就是一个横截面积变化的变截面金属直棒。其中变截面棒的一端为变幅杆的输入端，与超声波换能器相连，另一端表示变幅杆的输出端，与振动系统的负载相连。对于现有的传统超声变幅杆，当变幅杆的材料、几何形状和尺寸以及负载阻抗给定以后，其性能参数，如共振频率、放大系数以及输入机械阻抗等都随之确定，无法加以改变。为了实现超声变幅杆性能参数的改变，必须对其进行重新设计和加工，因而浪费了时间，增加了成本。
为了解决超声波变幅杆制造成品之后，性能参数固定不可变的问题，设计一种性能参数可变的超声波变幅杆具有重要的应用价值。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种性能参数可变的超声波变幅杆。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种超声波变幅杆，包括变截面棒A和变截面棒B，在变截面棒A和变截面棒B之间还具有压电陶瓷晶堆，并且所述压电陶瓷晶堆连接着可变电阻抗，其中，压电陶瓷晶堆分别与变截面棒A和变截面棒B接触连接。
进一步地，本发明的超声波变幅杆中，所述压电陶瓷晶堆是由偶数片端面镀有银层沿厚度极化的压电陶瓷晶片组成，且相邻两片压电陶瓷晶片的纵向极化方向相反。
为了使本发明所述的超声波变幅杆的性能更佳，压电陶瓷晶片需要具有压电系数高、居里温度高、介电及机械损耗低的特性。因此，本发明的超声波变幅杆中，所述压电陶瓷晶片优选为发射型压电陶瓷；更优选为大功率发射型压电陶瓷PZT-4或PZT-8。
进一步地，本发明的超声波变幅杆中，所述变截面棒A、变截面棒B和压电陶瓷晶堆之间的接触面平整光洁，并且三者由预应力金属螺栓紧固连接或者由粘接剂粘接在一起。
本发明的超声波变幅杆中，变截面棒A、变截面棒B和压电陶瓷晶堆之间的接触表面保证较高的平整度及光洁度可以使变截面金属棒A、变截面棒B和压电陶瓷晶堆的接触面之间的接触更紧密，由此可以减少机械损耗，提高能量传输效率。
进一步地，为了使本发明所述的超声波变幅杆的性能更佳，所述预应力金属螺栓应当具有高强度，因此，其由高强度、高弹性以及机械损耗低的金属材料组成，优选为不锈钢、工具钢、弹簧钢或钛合金。
高强度金属预应力螺栓的作用是在超声波变幅杆的轴向产生一个一定大小的固定预应力，该预应力必须确保变幅杆各部分始终处于紧固状态，从而保证各部分接触面之间的完全接触。在这种情况下，变幅杆的机械损耗比较低，机械品质因数较高，因而确保变幅杆的性能稳定及较高的能量传输效率。
进一步地，为了使本发明所述的超声波变幅杆的性能更佳，所述粘接剂为高强度粘结剂，优选为环氧树脂类粘接剂或聚酰胺类粘接剂。
进一步地，本发明的超声波变幅杆中，所述变截面棒A和变截面棒B的横截面形状是相匹配的。
为了使本发明所述的超声波变幅杆性能更佳，变截面棒A和变截面B选用的材料需要具有弹性大、强度高、机械损耗小的特点。
进一步地所述变截面棒A和变截面棒B由金属材料组成，优选为钛合金、铝合金、铝镁合金、不锈钢、铜、黄铜或工具钢中的任意一种。
进一步地，本发明的超声波变幅杆中，可变电阻抗连接于压电陶瓷晶片的正负电极之间。
进一步地，本发明的超声波变幅杆中，可变电阻抗包括可变电阻、可变电感或可变电容中的至少其中之一。
为了使本发明所述的超声波变幅杆性能更佳，所涉及到的可变电阻抗应是功率型的电子器件，可以承受一定的电压和电流
本发明中超声波变幅杆性能参数的改变是通过电阻抗的改变，主要是借助于压电陶瓷材料的压电效应来实现的，此外，通过改变压电陶瓷晶堆在变幅杆中的位置或改变压电陶瓷晶堆的厚度也可以实现变幅杆性能参数的改变。
本发明提出的性能参数可变的超声波变幅杆的工作原理如下：
当超声波换能器的共振频率和超声波变幅杆的共振频率一致时，超声波变幅杆的振动位移达到最大，并且沿其长度方向形成一定的振动模态及位移分布。此时，由于压电效应，在压电陶瓷晶堆的两端就会产生一定的电压，并作用到连接于其两端的可变电阻抗上，产生一定的电压输出。当可变电阻抗的阻值改变时，其两端的电压也会发生改变。基于压电陶瓷材料的逆压电效应，当可变电阻抗的电阻抗改变而导致压电陶瓷晶堆两端的输出电压不同时，反映到压电陶瓷晶堆机械端的机械阻抗随之改变。当压电陶瓷晶堆的机械阻抗发生改变时，整个变幅杆的机械阻抗也发生了改变，从而导致变幅杆的共振频率、放大系数等性能参数也会发生相应的改变。因此，借助于可变电阻抗的电阻抗改变以及压电陶瓷材料的压电效应，本发明的超声波变幅杆实现了性能参数的改变。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服了在超声波变幅杆的材料、几何形状和尺寸及负载阻抗给定以后，其性能参数，如共振频率、放大系数以及输入机械阻抗等都无法加以改变的技术难题，设计出了性能参数可变的超声波变幅杆，应用更加广泛。
附图说明
图1是本发明性能参数可变的超声波变幅杆的结构示意图；
图中：1-变截面棒A、2-变截面棒B、3-压电陶瓷晶堆、4-可变电阻抗、5-压电陶瓷晶片，F1、v1分别表示变幅杆输入端的力和振速，F2、v2分别表示变幅杆输出端的力和振速。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一般实施方式：
如图1所示的超声波变幅杆，包括变截面棒A 1和变截面棒B 2，在变截面棒A 1和变截面棒B 2之间还具有压电陶瓷晶堆3，并且所述压电陶瓷晶堆3连接着可变电阻抗4，其中，压电陶瓷晶堆3分别与变截面棒A 1和变截面棒B 2直接接触相连接。所述压电陶瓷晶堆3是由偶数片端面镀有银层沿厚度极化的压电陶瓷晶片5组成，且相邻两片压电陶瓷晶片5的纵向极化方向相反。
变截面棒A、变截面棒B和压电陶瓷晶堆之间的接触面平整光洁，并且三者由预应力金属螺栓紧固连接或者由粘接剂粘接在一起。所述预应力金属螺栓的材料为不锈钢、工具钢、弹簧钢或钛合金；所述粘接剂为环氧树脂类粘接剂或聚酰胺类粘接剂。
变截面棒A和变截面棒B的横截面形状相匹配，可以是圆形、正方形、长方形或者根据实际需要选择的形状；其由金属材料组成，优选为工具钢、钛合金、黄铜、铝合金、铝镁合金、不锈钢或铜中的任意一种。
可变电阻抗连接于压电陶瓷晶片的正负电极之间，可变电阻抗包括可变电阻、可变电感或可变电容中的至少其中之一。
在实际应用中，图1所示的超声波变幅杆的变截面棒A一端，即输入端与超声波换能器相连，其变截面棒B一端，即输出端与系统的外部负载，如被加工工件等相连。在超声波换能器的激励下，超声波换能器输出端的机械振动位移，通过超声变幅杆得到放大，因而在变幅杆的输出端，即被处理或加工的负载处，可以得到超声波处理所需要的大的机械振动位移以及高的振动速度和加速度，当变幅杆的性能参数需要调整时，可以根据性能参数的计算公式，改变可变电阻抗，就可以得到具有需要的性能参数的变幅杆，从而达到理想的超声波处理效果。
具体实施例：
本发明提供了几种具体的超声波变幅杆，并分别测试了性能参数。在本发明的实施例中，变截面棒A表示变幅杆的输入端，与超声波换能器相连，其长度用L1表示；变截面棒B表示变幅杆的输出端，与振动系统的负载相连，其长度用L2表示。变截面棒A和变截面棒B的横截面形状为圆形，在变截面棒A和变截面棒B之间还具有压电陶瓷晶堆，在以下实施例中压电陶瓷晶堆由两片等厚度的压电陶瓷晶片组成，每一片的厚度用L0表示。其中压电陶瓷晶堆分别与变截面棒A和变截面棒B直接接触，三者之间是通过预应力不锈钢螺栓紧固连接。
压电陶瓷晶堆的压电陶瓷晶片的正负电极之间连接着可变电阻抗，可变电阻抗可以选用可变电阻(感性阻抗负载)、可变电感(感性阻抗负载)或可变电容(容性阻抗负载)中的至少其中之一。Ze代表可变电阻抗；Ze＝R+jX，其中R和X分别表示可变电阻抗Ze的实部和虚部，
f0代表变幅杆的性能参数共振频率；M代表变幅杆的性能参数放大系数。
超声波变幅杆的性能参数是按照变幅杆的共振频率设计方程以及位移放大系数表达式进行计算的：
本发明给出了变幅杆的共振频率方程：
当变幅杆的材料、形状及几何尺寸给定后，利用式(1)，就可以求出变幅杆的共振频率f0。其中，Zim表示变幅杆在输入端的输入机械阻抗，上述公式中其它各量的表达式为，
Z01＝Z02＝jρ0c0S0tg(k0L0) (3)
Zp0＝n2Zi (5)
在上述各式中，R1，R2，R3和R0表示变幅杆各部分的半径。k1＝ω/c1,k2＝ω/c2,k0＝ω/c0；c1,c2以及c0表示变截面金属棒A和变截面金属棒B以及压电陶瓷晶堆中的振动传播速度；ρ1,ρ2和ρ0表示材料的密度，ω表示角频率，n表示压电陶瓷材料的机电转换系数，Re和C0分别为压电陶瓷材料的介电损耗电阻和静态电容，ZL表示变幅杆的负载机械阻抗。
变幅杆的位移放大系数：
式中，
当变幅杆的材料参数以及几何尺寸和形状给定以后，利用式(1)和式(14)，同时结合以上各个公式就可以得出变幅杆的共振频率和位移放大系数。以下是根据上述理论设计的不同的超声波变幅杆。
实施例1：
制作超声波变幅杆，构成变幅杆的变截面棒A和变截面棒B的金属材料是铝合金，压电陶瓷晶堆的材料为大功率发射型压电陶瓷PZT-4，变幅杆输入和输出端的半径分别是R1＝30mm，R2＝10mm，L1＝60mm，L2＝60mm，L0＝2mm。
1.1.可变电阻为纯阻性负载Ze＝100欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝22617赫兹，放大系数M＝2.399；
1.2.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝22217赫兹，放大系数M＝2.394；
1.3.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝22720赫兹，放大系数M＝2.399；
1.4.可变电阻为纯阻性负载Ze＝1000欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝23171赫兹，放大系数M＝2.44；
1.5.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝1000*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝23491赫兹，放大系数M＝2.41；
1.6.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–1000*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝23074赫兹，放大系数M＝2.39。
实施例2：
制作超声波变幅杆，构成变幅杆的变截面棒A和变截面棒B的金属材料是铝合金，压电陶瓷晶堆的材料为大功率发射型压电陶瓷PZT-4，变幅杆输入和输出端的半径分别是R1＝30mm，R2＝10mm，L1＝40mm，L2＝80mm，L0＝2mm。
2.1.可变电阻为纯阻性负载Ze＝100欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝21656赫兹，放大系数M＝2.62；
2.2.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝21343赫兹，放大系数M＝2.52；
2.3.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝21738赫兹，放大系数M＝2.65。
实施例3：
制作超声波变幅杆，构成变幅杆的变截面棒A和变截面棒B的金属材料是不锈钢，压电陶瓷晶堆的材料为大功率发射型压电陶瓷PZT-4，变幅杆输入和输出端的半径分别是R1＝30mm，R2＝10mm，L1＝40mm，L2＝80mm，L0＝2mm。
3.1.可变电阻为纯阻性负载Ze＝100欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝19860赫兹，放大系数M＝2.18；
3.2.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝19209赫兹，放大系数M＝1.99；
3.3.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝20062赫兹，放大系数M＝2.23。
实施例4：
制作超声波变幅杆，构成变幅杆的变截面棒A和变截面棒B的金属材料是不锈钢，压电陶瓷晶堆的材料为大功率发射型压电陶瓷PZT-4，变幅杆输入和输出端的半径分别是R1＝30mm，R2＝10mm，L1＝80mm，L2＝40mm，L0＝2mm。
4.1.可变电阻为纯阻性负载Ze＝100欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝21606赫兹，放大系数M＝2.32；
4.2.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝20972赫兹，放大系数M＝2.46；
4.3.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝21778赫兹，放大系数M＝2.28。
实施例5：
制作超声波变幅杆，构成变幅杆的变截面棒A和变截面棒B的金属材料是不锈钢，压电陶瓷晶堆的材料为大功率发射型压电陶瓷PZT-4，变幅杆输入和输出端的半径分别是R1＝30mm，R2＝10mm，L1＝80mm，L2＝40mm，L0＝3mm。
5.1.可变电阻为纯阻性负载Ze＝100欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝20637赫兹，放大系数M＝2.42；
5.2.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝20163赫兹，放大系数M＝2.53；
5.3.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–100*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝20855赫兹，放大系数M＝2.38；
5.4.可变电阻为纯阻性负载Ze＝1000欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝21929赫兹，放大系数M＝2.14；
5.5.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝1000*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝23364赫兹，放大系数M＝1.81；
5.6.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–1000*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝21693赫兹，放大系数M＝2.19。
实施例6：
制作超声波变幅杆，构成变幅杆的变截面棒A和变截面棒B的金属材料是不锈钢，压电陶瓷晶堆的材料为大功率发射型压电陶瓷PZT-4，变幅杆输入和输出端的半径分别是R1＝30mm，R2＝10mm，L1＝40mm，L2＝80mm，L0＝3mm。
6.1.可变电阻为纯阻性负载Ze＝1000欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝20472赫兹，放大系数M＝2.36；
6.2.可变电阻为感性阻抗负载Ze＝1000*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝22504赫兹，放大系数M＝1.63；
6.3.可变电阻为容性阻抗负载Ze＝–1000*j欧姆时，根据上述计算方法，可以得到此时变幅杆的性能参数为：共振频率f0＝20179赫兹，放大系数M＝2.30。
由上述实施例1-6可以明显看出，本发明提供的超声波变幅杆，在变截面棒的材料、几何形状和尺寸固定的情况下，通过简单的改变可变电阻抗，实现了性能参数，共振频率f0、放大系数M的改变，从而可以适应更广泛的需要。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超声波变幅杆，包括变截面棒A （1）和变截面棒B （2），其特征在于：在变截面棒A（1）和变截面棒B （2）之间还具有压电陶瓷晶堆（3），并且所述压电陶瓷晶堆（3）连接着可变电阻抗（4），其中，压电陶瓷晶堆（3）分别与变截面棒A（1）和变截面棒B （2）接触连接。
2.根据权利要求1所述的超声波变幅杆，其特征在于，所述压电陶瓷晶堆（3）是由偶数片端面镀有银层、沿厚度极化的压电陶瓷晶片（5）组成，且相邻两片压电陶瓷晶片（5）的纵向极化方向相反。
3.根据权利要求2所述的超声波变幅杆，其特征在于，所述压电陶瓷晶片（5）为发射型压电陶瓷。
4.根据权利要求3所述的超声波变幅杆，其特征在于，所述发射型压电陶瓷为PZT-4或PZT-8。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超声波变幅杆，其特征在于，所述变截面棒A（1）、变截面棒B（2）和压电陶瓷晶堆（3）之间的接触面平整光洁，并且三者由预应力金属螺栓紧固连接或者由粘接剂粘接在一起。
6.根据权利要求5所述的超声波变幅杆，其特征在于，所述预应力金属螺栓的材料为不锈钢、工具钢、弹簧钢或钛合金。
7.根据权利要求5所述的超声波变幅杆，其特征在于，所述粘接剂为环氧树脂类粘接剂或聚酰胺类粘接剂。
8.根据权利要求1-4任一项所述的超声波变幅杆，其特征在于，所述变截面棒A（1）和变截面棒B（2）的横截面形状相匹配，均由金属材料组成，为钛合金、铝合金、铝镁合金、不锈钢、铜、黄铜或工具钢中的任意一种。
9.根据权利要求2所述的超声波变幅杆，其特征在于，可变电阻抗（4）连接于压电陶瓷晶片（5）的正负电极之间。
10.根据权利要求1-4任一项所述的超声波变幅杆，其特征在于，可变电阻抗（4）包括可变电阻、可变电感或可变电容中的至少其中之一。
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