CN111468380A - 一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置及其操作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置及其操作工艺，该装置主要包括压电陶瓷换能器、1级纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、2级纵向振动变幅杆和隔振底座。压电陶瓷换能器在外界激励电压作用下产生纵向超声振动，并将纵向超声振动通过1级纵向振动变幅杆放大，经过放大的超声振动传递至弯曲振动变幅杆，使得弯曲振动变幅杆产生多级振动级数的弯曲振动，每个波腹处连接一个2级纵向振动变幅杆，从而将弯曲振动转换为纵向振动，可实现多端输出及多级振幅放大功能。
Description
技术领域
本发明属于超声振动系统应用领域，尤其涉及具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置及其操作工艺。
技术背景
超声振动系统被广泛应用于各种场合，包括超声加工、超声清洗、超声焊接以及超声处理等方面。常用的超声振动系统主要包括超声换能器、变幅杆及工具头。传统的超声振动系统中，一个超声换能器只能连接一套变幅杆及工具头，因而处理对象的功能有限。例如在超声凝聚、超声除泡、超声除尘等一些应用中，需要对流体进行大功率大面积、全方位地施加超声振动时，就需要采用多套传统的超声振动系统，多套超声系统不仅控制较为困难，而且系统运行成本较高。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置及其操作工艺，实现超声单激励输入，较大振幅多个输出端，可同时作用多个对象或增大作用面积。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，包括压电陶瓷换能器、1级纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、2级纵向振动变幅杆和隔振底座。
压电陶瓷换能器通过双头螺柱与1级纵向振动变幅杆前端连接，弯曲振动变幅杆通过螺栓固定在1级纵向振动变幅杆末端，2级纵向振动变幅杆的前端与弯曲振动变幅杆波腹位置通过双头螺柱固定连接，1级纵向振动变幅杆和2级纵向振动变幅杆的法兰分别固定在隔振底座上；1级纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆和2级纵向振动变幅杆谐振频率相同。
所述1级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构成者是多段复合的变幅杆结构，法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布3个通孔。
所述弯曲振动变幅杆可以产生5级振动级数的弯曲振动，其轴向截面为矩形结构或圆形结构，杆的一侧中间位置有通孔，杆另一侧每个波腹位置均开设有螺纹孔。
所述2级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构成者是多段复合的变幅杆结构，数量为4，法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布3个通孔。
所述隔振底座整体为无顶空心箱体式结构，前端有凹台结构，用于固定1级纵向振动变幅杆的法兰；隔振底座的后端有4个凹台结构，用于固定2级纵向振动变幅杆的法兰。
为了满足更大的振幅需求，2级纵向振动变幅杆后面可以连接3级纵向振动变幅杆、4级纵向振动变幅杆等多级纵向振动变幅杆。
本发明通过弯曲振动变幅杆的特殊结构把单激励超声纵向振动转换为多个波腹的弯曲振动，再通过纵向振动变幅杆将多个弯曲振动转换为多个纵向振动输出，从而使该装置具有大振幅多端输出功能。
附图说明
图1是实施例1具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置的整体结构示意图；
图2是实施例1中1级纵向振动变幅杆的结构示意图；
图3是实施例1中弯曲振动变幅杆的结构示意图；
图4是实施例1中2级纵向振动变幅杆的结构示意图；
图5是实施例1中隔振底座的结构示意图；
图6是实施例2中多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置整体结构示意图；
图7是实施例2中1级纵向振动变幅杆的结构示意图；
图8是实施例2中2级纵向振动变幅杆的结构示意图；
图9是多端输出及无多级振幅放大功能的超声振动装置整体结构示意图；
图10是图9中2级纵向振动变幅杆的结构示意图；
图11是无多级振幅放大功能、有多级振幅放大功能以及组合后多级振幅放大功能装置的超声振动效果对比图。
主要附图标记的说明：压电陶瓷换能器-1、1级纵向振动变幅杆-2、弯曲振动变幅杆-3、2级纵向振动变幅杆-4、隔振底座-5变幅杆前端-6、法兰7、1级纵向振动变幅杆末端-8，2级纵向振动变幅杆4的前端-11。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图具体说明本发明的技术方案。
实施例1
图1是本发明具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置的整体结构示意图；图2是图1中1级纵向振动变幅杆的结构示意图，该变幅杆为大端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆，其法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布3个通孔。具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，包括压电陶瓷换能器1、1级纵向振动变幅杆2、弯曲振动变幅杆3、2级纵向振动变幅杆4和隔振底座5。
压电陶瓷换能器1通过双头螺柱与1级纵向振动变幅杆2前端6连接，弯曲振动变幅杆3通过螺栓固定在1级纵向振动变幅杆2的末端8，2级纵向振动变幅杆4的前端11与弯曲振动变幅杆3波腹位置通过双头螺柱固定连接，1级纵向振动变幅杆2和2级纵向振动变幅杆4的法兰7分别固定在隔振底座5上。1级纵向振动变幅杆2、弯曲振动变幅杆3和2级纵向振动变幅杆4谐振频率相同。
图3是弯曲振动变幅杆3的结构示意图，为了满足更大的振幅需求，2级纵向振动变幅杆后面可以连接3级或者3级以上纵向振动变幅杆。本实施例的弯曲振动变幅杆3可以产生5级振动级数的弯曲振动，其轴向截面为矩形结构或圆形结构，杆中间位置有通孔9，两侧各有两个波腹，每个波腹位置均开设有螺纹孔10。图4是图1中2级纵向振动变幅杆的结构示意图，该变幅杆为阶梯形变幅杆，其法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布3个通孔。
图5是隔振底座的结构示意图，隔振底座整体为无顶空心箱体式结构，隔振底座5的前端有凹台结构12，用于固定1级纵向振动变幅杆2的法兰7；隔振底座5的后端有4个凹台结构13，用于固定2级纵向振动变幅杆4的法兰7，凹台结构12与凹台结构13的中心是同轴心布置。
在超声振动应用中，开启超声波电源，1级纵向振动变幅杆4的纵向振动通过弯曲振动变幅杆3的特殊结构把单激励超声纵向振动转换为多个波腹的弯曲振动，再通过纵向振动变幅杆4将多个弯曲振动转换为多个纵向振动输出，最终作用于多个处理对象或增大作用面积。
针对本装置，无论是1级纵向振动变幅杆2和弯曲振动变幅杆3，还是2级纵向振动变幅杆4，均有相同的谐振频率。1级纵向振动变幅杆和2级纵向振动变幅杆应进行适当的组合从而提高超声振动应用效果，1级纵向振动变幅杆的形状因数值可以较小
而放大系数应较大(放大系数M＞＞3)，2级纵向振动变幅杆应选择形状因数较大的变幅杆
其选择可参考表1。输出端的个数则根据应用场合或谐振频率进行计算确定。
表1 1级和2级纵向振动变幅杆组合选择参考表
| 1级纵向振动变幅杆 | 2级纵向振动变幅杆 |
| 阶梯形变幅杆 | 圆锥形变幅杆 |
| 指数型变幅杆 | 圆锥形变幅杆 |
| 悬链线形变幅杆 | 指数型变幅杆 |
| 阶梯形变幅杆 | 高斯钟形曲线变幅杆 |
实施列2
如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，根据表1中1级纵向振动变幅杆和2级纵向振动变幅杆的组合，选择了1级纵向振动变幅杆为阶梯形变幅杆，其法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布3个通孔，如图7所示；2级纵向振动变幅杆为圆锥形变幅杆，其法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布3个通孔，如图8所示；其余结构件的特征与实施例1一样，因此不再赘述。
图9是具有多端输出、无多级振幅放大功能的超声振动装置示意图，与多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置的区别在于，其2级纵向振动变幅杆为直杆，无振幅放大功能，如图10所示。图11是无多级振幅放大功能、有多级振幅放大功能(实施例1)以及组合的多级振幅放大功能(实施例2)的超声振动效果对比图，可知组合后的多级振幅放大功能的超声振动装置振动效果较好。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，其特征在于：包括压电陶瓷换能器、1级纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆、2级纵向振动变幅杆和隔振底座；压电陶瓷换能器通过双头螺柱与1级纵向振动变幅杆前端连接，弯曲振动变幅杆通过螺栓固定在1级纵向振动变幅杆末端，2级纵向振动变幅杆的前端与弯曲振动变幅杆波腹位置通过双头螺柱固定连接，1级纵向振动变幅杆和2级纵向振动变幅杆的法兰分别固定在隔振底座上；1级纵向振动变幅杆、弯曲振动变幅杆和2级纵向振动变幅杆谐振频率相同。
2.根据权利要求1所述的一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，其特征在于：1级纵向振动变幅杆和2级纵向振动变幅杆组合要求是：1级纵向振动变幅杆的形状因数
值范围是
放大系数M＞＞3，2级纵向振动变幅杆应选择形状因数
的变幅杆。
3.根据权利要求1所述的一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，其特征在于：1级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构，或者是多段复合的变幅杆结构，法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布通孔。
4.根据权利要求1所述的一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，其特征在于：弯曲振动变幅杆可以产生多级振动级数的弯曲振动，其轴向截面为矩形结构或圆形结构，杆的一侧中间位置有通孔，杆另一侧每个波腹位置均开设有螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，其特征在于：2级纵向振动变幅杆是单一的变幅杆结构，或者是多段复合的变幅杆结构，法兰位于振动节点处，圆周方向一侧均布通孔。
6.根据权利要求1所述的一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，其特征在于：隔振底座整体为无顶空心箱体式结构，前端有凹台结构，用于固定1级纵向振动变幅杆的法兰；隔振底座的后端有多个凹台结构，用于固定2级纵向振动变幅杆的法兰。
7.根据权利要求1所述的一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置，其特征在于：2级纵向振动变幅杆后面可以连接3级或者3级以上纵向振动变幅杆。
8.权利要求1所述的一种具有多端输出及多级振幅放大功能的超声振动装置的操作工艺，其特征在于，开启超声波电源，1级纵向振动变幅杆(4)的纵向振动通过弯曲振动变幅杆把单激励超声纵向振动转换为多个波腹的弯曲振动，再通过纵向振动变幅杆将多个弯曲振动转换为多个纵向振动输出，从而使该装置具有大振幅多端输出功能。
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