CN113714075B - 一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器及其设计方法 - Google Patents
一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器及其设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器及其设计方法。其包括Kresling构型单元、输入杆和输出杆；所述的Kresling构型单元的上、下底面均是正n多边形，其侧面由2n个三角形组成；所述Kresling构型单元的一个底面与输入杆的端面相连，另一个底面与输出杆的端面相连，且输入杆与输出杆的轴线重合；所述Kresling构型单元底面的外接圆半径与输入杆和输出杆端面的外接圆半径相等。本发明的换能器加工制造简单、安装更换方便，成本低廉、工作频率可以按需设计。本发明进一步提出了其设计方法，通过本发明方法可以获得所需工作频率的换能器，满足纯扭振动或纵‑扭组合振动的需求。
Description
技术领域
本发明属于换能器设计领域，具体设计一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器及其设计方法。
背景技术
组合纵向-扭转振动和纯扭转振动在工程技术领域，特别是超声焊接，超声钻孔，超声抛光等领域有十分广泛的应用。通常而言，纵向振动比较容易形成，但是扭转振动难以形成。
目前工程技术人员已经提出多种技术和结构来实现组合的纵向-扭转振动，常见技术包括：1)通过分别利用可以产生纵向振动的压电片和剪切振动的压电片进行组合，通过合理的尺寸设计实现组合的纵向-扭转振动；2)通过在杆的表面设计螺旋型窄缝，将纵向振动转换为组合的纵向-扭转振动。
然而，针对现有的技术1)，需要单独的剪切振动压电片，一般而言，剪切压电片成本高于纵向振动压电片，而且，由于结构扭转振动模态与纵向振动模态的频率存在差异，结构需要经过特殊的设计才可以。针对技术2)，在杆的表面设计螺旋形窄缝需要破坏结构，加工制造麻烦，而且一旦加工完成，便不可再进行修改。因此，设计一款加工制造简单、替换方便的纵波扭转波换能器十分有必要。
发明内容
针对现有纵波-扭转波换能器产品加工工艺复杂，加工成本高昂，工作频率难以调节，难以适应不同工况场合，本发明提供了一种基于构型启发的加工制造简单、安装更换方便，成本低廉、工作频率可以按需设计的纵波-扭转波换能器。不同于传统的纵波-扭转波换能器方案(在杆上开槽，需要借助机床等设备)，本发明提出的纵波-扭转波换能器可以通过3D打印加工，并直接安装到对应设备上。
本发明的技术方案是：
本发明首先提供了一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器，其包括Kresling构型单元、输入杆和输出杆；所述的Kresling构型单元的上、下底面均是正n多边形，其侧面由2n个三角形组成；所述Kresling构型单元的一个底面与输入杆的端面相连，另一个底面与输出杆的端面相连，且输入杆与输出杆的轴线重合；所述Kresling构型单元底面的外接圆半径与输入杆和输出杆端面的外接圆半径相等。
进一步的，所述输入杆和输出杆均为等径圆杆，输入杆和输出杆的截面半径相同。
进一步的，输入杆和输出杆的长度与Kresling构型单元底面外接圆半径的比应小于20。
进一步的，通过设计Kresling构型单元的几何尺寸，可以改变产品工作频率，以适应不同的工况需求。
优选的，本发明提出的纵波-扭转波换能器可以通过3D打印进行加工制造，不需要复杂的工艺。
另一方面，本发明提供了一种上述的纵波扭转波换能器的设计方法，其包括如下步骤：
(1)确定工作频率及设计需求，所述设计需求指换能器设计为纯扭振动或纵-扭组合振动；
(2)确定连接在Kresling构型单元两端的输入杆和输出杆的尺寸；
(3)取Kresling构成单元上、下底面的外接圆半径与输入杆和输出杆杆截面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元的初始高度与其上、下底面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元初始的扭转角度为60度；
(4)通过有限元软件计算步骤(3)所述初始情况下的纵向振动、扭转振动及纵-扭振动比随频率的变化情况；
(5)根据实际设计需求，选择符合设计需求的频率；当设计需求为纯扭振动，则选择扭转振动及纵-扭振动比大的频率，当设计需求为纵-扭组合振动，则选择纵向振动及扭转振动大，纵-扭振动比为零的频率；
(6)比较步骤(5)选择的频率与实际的工作频率，若该频率与工作频率相符，则完成设计；如该频率不符合工作频率，则修改换能器的设计参数，并返回步骤(4)，直至选择的频率符合工作频率。
优选的，所述的步骤(5)具体为：当设计需求为纯扭振动，则选择扭转振动及纵-扭振动比大于20分贝的频率，当设计需求为纵-扭组合振动，则选择纵向振动及扭转振动大于20分贝，纵-扭振动比为零的频率。
优选的，步骤(6)中，所述的修改换能器的设计参数具体为：
当选择的换能器频率高于工作频率时，则首先增加Kresling构型单元的高度并重复步骤(4)和(5)，如高度增加到调整上限仍无法满足要求，则进一步减小Kresling构型单元的扭转角度并重复步骤(4)和(5)，如扭转角度达到调整下限仍无法满足要求，则改变Kresling折纸换能器的材料为杨氏模量更小的材料并重复步骤(4)和(5)；
当选择的频率低于工作频率时，则首先减少Kresling构型单元的高度并重复步骤(4)和(5)，如高度减少到调整下限仍无法满足要求，则进一步增大Kresling构型单元的扭转角度并重复步骤(4)和(5)，如扭转角度达到调整上限仍无法满足要求，则改变Kresling折纸换能器的材料为杨氏模量更大的材料。
进一步的，所述Kresling构型单元的高度不超过底面外接圆半径的两倍，不小于底面外接圆半径的一半。
进一步的，所述Kresling构型单元的扭转角度调整范围为30-90度。
本发明的有益效果是：
本发明提出的纵波-扭转波换能器可以直接安装到设备上，安装及更换方便简单。本发明结构简单，加工制造简单，成本低廉，可以根据工程实际的需要设计对应的几何参数，同时，根据工作频率的不同，可以输出纯扭转振动或组合的纵向-扭转振动，可以满足不同应用场合的需求。
附图说明
图1为本发明Kresling构型单元的结构示意图；
图2为本发明纵波扭转波换能器的结构示意图；
图3为本发明在输出端的纵向振动与扭转振动随频率的变化情况；
图4为本发明不同几何尺寸情况下输出端的纵-扭振动比值随频率的变化情况；
图5为本发明提出的纵波扭转波换能器设计方法示意图。
图中，1-上下底面；2-侧面；3-输入杆；4-输出杆。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。注意这里所描述的应用实例仅仅是本发明的一部分实施案例，并不是全部的实施案例。
如图2所示，本发明提供的Kresling构型启发的纵波扭转波换能器，其包括Kresling构型单元、输入杆3和输出杆4；所述Kresling构型单元的一个底面与输入杆的端面相连，另一个底面与输出杆的端面相连，且输入杆与输出杆的轴线重合；所述Kresling构型单元底面的外接圆半径与输入杆和输出杆端面的外接圆半径相等。本发明的Kresling构型单元的结构示意图如图1所示，包括正n多边形的上下底面1，2n个侧面2(三角形面板)。本发明Kresling构型的结构尺寸参数可以由正n多边形的边数、上下底面的外接圆半径、初始高度和初始旋转角度决定。Kresling构型单元对材料没有特别要求，材料可以是纸、塑料、金属等等，根据所需工作频率选择合适的材料和尺寸参数。输入杆和输出杆的长度与Kresling构型单元底面外接圆半径的比应小于20，输入杆和输出杆的材质无特殊要求。
在本发明的一个实施例中，所述输入杆和输出杆均为等径圆杆，输入杆和输出杆的截面半径相同。
除了本发明已经给定的正六边形上下底面外，还可以根据实际需要采用其它正多边形。
如图5所示，本发明换能器的具体设计方法如下：
(1)确定工作频率及设计需求，所述设计需求指换能器设计为纯扭振动或纵-扭组合振动；
(2)确定连接在Kresling构型单元两端的输入杆和输出杆的尺寸；
(3)取Kresling构成单元上、下底面的外接圆半径与输入杆和输出杆杆截面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元的初始高度与其上、下底面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元初始的扭转角度为60度；
(4)通过有限元软件计算步骤(3)所述初始情况下的纵向振动、扭转振动及纵-扭振动比随频率的变化情况；
(5)根据实际设计需求，选择符合设计需求的频率；当设计需求为纯扭振动，则选择扭转振动及纵-扭振动比大于20分贝的频率，当设计需求为纵-扭组合振动，则选择纵向振动及扭转振动大于20分贝，纵-扭振动比为零的频率。
(6)比较步骤(5)选择的频率与实际的工作频率，若该频率与工作频率相符，则完成设计；如该频率不符合工作频率，则修改换能器的设计参数，并返回步骤(4)，直至选择的频率符合工作频率。
在本发明的一个具体设计实施例中，如图2所示，两根圆形截面杆(输入杆和输出杆)分别布置于本发明Kresling构型单元的两端，在输入杆的一端输入纵向位移激励，提取输出杆的纵向位移响应与扭转位移响应，同时，为了直观，本发明同时计算了扭转位移与纵向位移的比值(纵扭比)，如图3所示，从图中我们可以看出，在4010Hz,纵扭比和扭转位移响应都比较大，因此可以输出纯扭振动，在1186Hz，纵向位移响应和扭转位移响应都比较大，因此可以输出组合的纵向-扭转振动。可以根据所需的设计需求进行选择。
当所需频率并不满足工作频率要求时，则需要修改换能器的设计参数。
例如当选择的换能器频率高于工作频率时，首先增加Kresling构型单元的高度并重复步骤(4)和(5)，如高度增加到调整上限仍无法满足要求，则进一步减小Kresling构型单元的扭转角度并重复步骤(4)和(5)，如扭转角度达到调整下限仍无法满足要求，则改变Kresling折纸换能器的材料为杨氏模量更小的材料并重复步骤(4)和(5)；
当选择的换能器频率低于工作频率时，则首先减少Kresling构型单元的高度并重复步骤(4)和(5)，如高度减少到调整下限仍无法满足要求，则进一步增大Kresling构型单元的扭转角度并重复步骤(4)和(5)，如扭转角度达到调整上限仍无法满足要求，则改变Kresling折纸换能器的材料为杨氏模量更大的材料。
所述Kresling构型单元的高度不超过底面外接圆半径的两倍，不小于底面外接圆半径的一半。所述Kresling构型单元的扭转角度调整范围为30-90度。
如图4所示，上半图为调整扭转角度后，输出端的纵-扭振动比值随频率的变化情况，本发明示出了50°，60°和80°三种不同扭转角度下的频率变化情况；图4下半图为调整Kresling构型单元的高度时输出端的纵-扭振动比值随频率的变化情况，本发明初始设计时，Kresling构型单元的高度为20mm(上、下底面的外接圆半径)，本发明研究了不同高度下的频率变化情况。从图4可见，通过Kresling构型单元设计参数的改变，可以调整所设计的换能器的纵向振动、扭转振动、纵-扭振动比值，从而满足设计时所需的工作频率要求。当设计参数的改变仍无法满足工作频率要求时，还可以进一步更改Kresling构型单元的材质，直至换能器的设计需求下的频率满足工作频率要求为止。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器，其特征在于，包括Kresling构型单元、输入杆和输出杆,所述输入杆和输出杆均为等径圆杆，输入杆和输出杆的截面半径相同；所述的Kresling构型单元的上、下底面均是正n多边形，其侧面由2n个三角形组成；所述Kresling构型单元的一个底面与输入杆的端面相连，另一个底面与输出杆的端面相连，且输入杆与输出杆的轴线重合；所述Kresling构型单元底面的外接圆半径与输入杆和输出杆端面的外接圆半径相等。
2.根据权利要求1所述的Kresling构型启发的纵波扭转波换能器，其特征在于，输入杆和输出杆的长度与Kresling构型单元底面外接圆半径的比应小于20。
3.一种权利要求1所述的纵波扭转波换能器的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)确定工作频率及设计需求，所述设计需求指换能器设计为纯扭振动或纵-扭组合振动；
(2)确定连接在Kresling构型单元两端的输入杆和输出杆的尺寸；
(3)取Kresling构成单元上、下底面的外接圆半径与输入杆和输出杆杆截面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元的初始高度与其上、下底面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元初始的扭转角度为60度；
(4)通过有限元软件计算步骤(3)初始情况下的纵向振动、扭转振动及纵-扭振动比随频率的变化情况；
(5)根据实际设计需求，选择符合设计需求的换能器频率；当设计需求为纯扭振动，则选择扭转振动及纵-扭振动比大的频率，当设计需求为纵-扭组合振动，则选择纵向振动及扭转振动大，纵-扭振动比为零的频率；
(6)比较步骤(5)选择的换能器频率与实际的工作频率，若换能器频率与工作频率相符，则完成设计；如换能器频率不符合工作频率，则修改换能器的设计参数，并重复步骤(4)和(5)，直至选择的换能器频率符合工作频率。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体为：当设计需求为纯扭振动，则选择扭转振动及纵-扭振动比大于20分贝的频率，当设计需求为纵-扭组合振动，则选择纵向振动及扭转振动大于20分贝，纵-扭振动比为零的频率。
5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，步骤(6)中，所述的修改换能器的设计参数具体为：
当选择的换能器频率高于工作频率时，则首先增加Kresling构型单元的高度并重复步骤(4)和(5)，如高度增加到调整上限仍无法满足要求，则进一步减小Kresling构型单元的扭转角度并重复步骤(4)和(5)，如扭转角度达到调整下限仍无法满足要求，则改变Kresling折纸换能器的材料为杨氏模量更小的材料并重复步骤(4)和(5)；
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6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述Kresling构型单元的高度不超过底面外接圆半径的两倍，不小于底面外接圆半径的一半。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述Kresling构型单元的扭转角度调整范围为30-90度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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