CN110287617B - 一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超声换能器的设计方法，具体是一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法。本发明解决了传统的超声换能器设计方法不适用于设计大功率超声换能器的问题。一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法，该方法是采用如下步骤实现的：a.定义大功率超声换能器的如下设计参数；b.将大功率超声换能器的直径和高度之比2R/H作为仿真的输入参数，并利用COMSOL软件进行仿真，由此得到一系列离散数据点；c.对离散数据点采用对数函数进行拟合；d.给定大功率超声换能器的直径2R及高度H，并根据式(7)求解得到大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n；e.将求解得到的上述设计参数应用于大功率超声换能器的设计。本发明适用于大功率超声换能器的设计。

Description

一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法
技术领域
本发明涉及超声换能器的设计方法，具体是一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法。
背景技术
超声换能器是超声技术的核心器件，其能够实现机械能、电能和声能的相互转换。随着功率超声在加工、清洗等领域的应用环境越来越复杂，超声换能器经常被要求在大负载的条件下工作，因此要求超声换能器能够输出更大的功率、更高的声强和更大的位移。根据超声换能器的设计理论可知，倘若要在工作频率一定的条件下设计出大功率超声换能器(功率在1000W以上的超声换能器)，则必然需要在超声换能器的高度一定的前提下增大超声换能器的直径，由此增大超声换能器的直径和高度之比，从而增大超声换能器的功率容量。在此情形下，基于一维理论的传统超声换能器设计方法将变得不再适用。换言之，倘若将传统的超声换能器设计方法应用于大功率超声换能器的设计，则必然导致设计误差过大，由此导致设计出的大功率超声换能器振动效果差。基于此，有必要发明一种全新的超声换能器设计方法，以解决传统的超声换能器设计方法不适用于设计大功率超声换能器的问题。
发明内容
本发明为了解决传统的超声换能器设计方法不适用于设计大功率超声换能器的问题，提供了一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法，该方法是采用如下步骤实现的：
a.定义大功率超声换能器的如下设计参数：纵径耦合系数N、纵径耦合相关系数n、纵向等效弹性模量Ez、径向等效弹性模量Er、纵向等效声速cz、纵向等效波数kz；具体定义公式如下：
Figure BDA0002111916780000021
n＝|Dz/Dr|； (2)；
Figure BDA0002111916780000022
Figure BDA0002111916780000023
Figure BDA0002111916780000024
Figure BDA0002111916780000025
式(1)～(6)中：Dz表示大功率超声换能器的纵向位移；Dr表示大功率超声换能器的径向位移；E表示大功率超声换能器材料的弹性模量；ρ表示大功率超声换能器材料的密度；ω表示大功率超声换能器的振动角频率；
b.将大功率超声换能器的直径和高度之比2R/H作为仿真的输入参数，并利用COMSOL软件进行仿真，由此得到一系列离散数据点；所述离散数据点的横坐标为大功率超声换能器的直径和高度之比2R/H；所述离散数据点的纵坐标为大功率超声换能器的纵向位移和径向位移之比|Dz/Dr|，即大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n；
c.对离散数据点采用对数函数进行拟合，由此得到大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n与直径和高度之比2R/H的关系曲线；关系曲线具体表示如下：
n＝2.737(ln(2R/H))2+8.235ln(2R/H)-7.892 (7)；
d.给定大功率超声换能器的直径2R及高度H，并根据式(7)求解得到大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n，然后根据式(1)及式(3)～(6)求解得到大功率超声换能器的如下设计参数：纵径耦合系数N、纵向等效弹性模量Ez、径向等效弹性模量Er、纵向等效声速cz、纵向等效波数kz；
e.将求解得到的上述设计参数应用于大功率超声换能器的设计。
与传统的超声换能器设计方法相比，本发明所述的一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法以大功率超声换能器的振动模式(复杂的纵径耦合振动)为依据，并基于全新原理实现了大功率超声换能器的设计及相关参数求解，由此大幅减小了设计误差，从而使设计出的大功率超声换能器振动效果更好。
本发明有效解决了传统的超声换能器设计方法不适用于设计大功率超声换能器的问题，适用于大功率超声换能器的设计。
附图说明
图1是本发明中步骤c的示意图。
具体实施方式
一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法，该方法是采用如下步骤实现的：
a.定义大功率超声换能器的如下设计参数：纵径耦合系数N、纵径耦合相关系数n、纵向等效弹性模量Ez、径向等效弹性模量Er、纵向等效声速cz、纵向等效波数kz；具体定义公式如下：
Figure BDA0002111916780000031
n＝|Dz/Dr|； (2)；
Figure BDA0002111916780000041
Figure BDA0002111916780000042
Figure BDA0002111916780000043
Figure BDA0002111916780000044
式(1)～(6)中：Dz表示大功率超声换能器的纵向位移；Dr表示大功率超声换能器的径向位移；E表示大功率超声换能器材料的弹性模量；ρ表示大功率超声换能器材料的密度；ω表示大功率超声换能器的振动角频率；
b.将大功率超声换能器的直径和高度之比2R/H作为仿真的输入参数，并利用COMSOL软件进行仿真，由此得到一系列离散数据点；所述离散数据点的横坐标为大功率超声换能器的直径和高度之比2R/H；所述离散数据点的纵坐标为大功率超声换能器的纵向位移和径向位移之比|Dz/Dr|，即大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n；
c.对离散数据点采用对数函数进行拟合，由此得到大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n与直径和高度之比2R/H的关系曲线；关系曲线具体表示如下：
n＝2.737(ln(2R/H))2+8.235ln(2R/H)-7.892 (7)；
d.给定大功率超声换能器的直径2R及高度H，并根据式(7)求解得到大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n，然后根据式(1)及式(3)～(6)求解得到大功率超声换能器的如下设计参数：纵径耦合系数N、纵向等效弹性模量Ez、径向等效弹性模量Er、纵向等效声速cz、纵向等效波数kz；
e.将求解得到的上述设计参数应用于大功率超声换能器的设计。
具体实施时，所述大功率超声换能器为大功率纵向圆柱超声换能器。

Claims (2)

1.一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
a.定义大功率超声换能器的如下设计参数：纵径耦合系数N、纵径耦合相关系数n、纵向等效弹性模量Ez、径向等效弹性模量Er、纵向等效声速cz、纵向等效波数kz；具体定义公式如下：
Figure FDA0002111916770000011
n＝|Dz/Dr|； (2)；
Figure FDA0002111916770000012
Figure FDA0002111916770000013
Figure FDA0002111916770000014
Figure FDA0002111916770000015
式(1)～(6)中：Dz表示大功率超声换能器的纵向位移；Dr表示大功率超声换能器的径向位移；E表示大功率超声换能器材料的弹性模量；ρ表示大功率超声换能器材料的密度；ω表示大功率超声换能器的振动角频率；
b.将大功率超声换能器的直径和高度之比2R/H作为仿真的输入参数，并利用COMSOL软件进行仿真，由此得到一系列离散数据点；所述离散数据点的横坐标为大功率超声换能器的直径和高度之比2R/H；所述离散数据点的纵坐标为大功率超声换能器的纵向位移和径向位移之比|Dz/Dr|，即大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n；
c.对离散数据点采用对数函数进行拟合，由此得到大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n与直径和高度之比2R/H的关系曲线；关系曲线具体表示如下：
n＝2.737(ln(2R/H))2+8.235ln(2R/H)-7.892 (7)；
d.给定大功率超声换能器的直径2R及高度H，并根据式(7)求解得到大功率超声换能器的纵径耦合相关系数n，然后根据式(1)及式(3)～(6)求解得到大功率超声换能器的如下设计参数：纵径耦合系数N、纵向等效弹性模量Ez、径向等效弹性模量Er、纵向等效声速cz、纵向等效波数kz；
e.将求解得到的上述设计参数应用于大功率超声换能器的设计。
2.根据权利要求1所述的一种大功率超声换能器的设计及相关参数求解方法，其特征在于：所述大功率超声换能器为大功率纵向圆柱超声换能器。
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