1、夹角型纵振变幅杆的设计与应用贺西平贺西平,张海岛张海岛陕西师范大陕西师范大应用声学研究所应用声学研究所,西安西安 710062710062u传统的超声振动系统产生沿轴向方向的伸缩振动传统的超声振动系统产生沿轴向方向的伸缩振动，正如正如 它们的结构沿长度方向组成一样它们的结构沿长度方向组成一样.雕刻雕刻乳化乳化打孔打孔焊接焊接图图1 1 功率超声加工的些应用功率超声加工的些应用u 2013：Tadeusz G,Lukasz P P,Krzysztof J O.Ultrasonic transducers with directional converters of vibration of lo
2、ngitudinal-longitudinal(L-L)type and longitudinal-longitudinal-longitudinal(L-L-L)type intended to work in gaseous media,In:Proceedings of Meetings on Acoustics.Montreal:Session 5ASA,2013,1-6图图2 L-L-L2 L-L-L型振动转换体型振动转换体 本文本文提出了一种新型的夹角型变幅杆，对该型变幅杆提出了一种新型的夹角型变幅杆，对该型变幅杆进行了有限元设计进行了有限元设计，并，并测试了变幅杆的振型测试了变幅
3、杆的振型、放大系数放大系数 u实际中实际中,有的应用需要改变纵振动传输方向有的应用需要改变纵振动传输方向,如弯曲管子如弯曲管子 内表面的清洗内表面的清洗、狭小空间也需改变振动传输方向、狭小空间也需改变振动传输方向u另外，若与换能器连接的变幅杆能实现一端输入、多端另外，若与换能器连接的变幅杆能实现一端输入、多端 输出，则能加工或处理多个对象，起到降低生产成本、输出，则能加工或处理多个对象，起到降低生产成本、提高效率的作用提高效率的作用为达到以上的目的1 1 夹角型变幅杆夹角型变幅杆图图3 3 夹角型变幅杆的结构示意图夹角型变幅杆的结构示意图2.1 振型与放大系数振型与放大系数材料为材料为45#钢
4、钢，有限元方法有限元方法设计设计了了下下表中的表中的几几种尺寸的变幅杆种尺寸的变幅杆2 有限元设计有限元设计No.l1/mmr1/mml2/mmr2/mmfe/HzMe1#557.5557.5302230812#557.5507.530238690.9883#557.550530214112.334#557.5557.5452186315#557.5507.545235880.9336#557.550545210002.367#557.5557.5602170118#557.5507.560235550.8799#557.550560207502.6310#557.5657.545195131
5、.13表表1 1 变幅杆有限元计算结果变幅杆有限元计算结果图图4 4 夹角型变幅杆的纵振振型夹角型变幅杆的纵振振型计算结果表明：计算结果表明：变幅杆的放大系数与输入杆及输出杆的相对尺寸变幅杆的放大系数与输入杆及输出杆的相对尺寸有关有关，也与，也与夹角夹角有关有关(但不灵敏但不灵敏).1）两者几何）两者几何尺寸相同时尺寸相同时,放大系数为放大系数为1.2）输入杆与输出杆半径相同输入杆与输出杆半径相同时：后者时：后者长度小于长度小于前者前者时时,放大系数放大系数 小于小于1,且放大系数随角度的增大略微减小且放大系数随角度的增大略微减小;当当后者后者长度大于长度大于前前 者者时时,放大系数大于放大系
6、数大于1；3）当输入杆半径大于输出杆半径时当输入杆半径大于输出杆半径时,放大系数大于放大系数大于1.2.2 纵振动位移分布纵振动位移分布11xU222cossinxyUU(1)(2)变幅杆沿轴线各点的纵振动位移变幅杆沿轴线各点的纵振动位移与坐标分量的关系与坐标分量的关系为为-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.01 0.000.010.020.030.040.050.06-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.81.0Relative displacement length of the horn/m图图5 5 变幅杆沿轴向方向归一化位移分布变幅杆
7、沿轴向方向归一化位移分布3 测试测试结果结果 加工了表加工了表1中的中的1#、4#、5#、6#和和7#变幅杆变幅杆.与变幅杆相连与变幅杆相连的纵振动换能器的纵振动换能器谐振谐振频率为频率为19.8kHz.利用利用Polytec PSV-400扫扫描式激光测振仪测试换能器与变幅杆相连组成的振动系统进描式激光测振仪测试换能器与变幅杆相连组成的振动系统进行测试行测试,对变幅杆端面对变幅杆端面振幅振幅与放大系数进行了测量与放大系数进行了测量图图6 1#变幅杆纵振振型变幅杆纵振振型,ft=19953Hz 1#1#变幅杆谐振频率变幅杆谐振频率为：为：fe=22308HzNo.l1/mmr1/mml2/mm
8、r2/mmfe/Hzft/HzMeMt1#557.5557.530223081995311.8011.010.994#557.5557.54521863201648.4311.054.765#557.5507.545235882033615.990.9330.940.746#557.55054521000201174.392.362.505.607#557.5557.56021701205785.4610.973.09表表2 2 变幅杆实验测试结果变幅杆实验测试结果1%2%测试结果与计算结果基本吻合测试结果与计算结果基本吻合1|0lxlF1|0fxlF1|0lxlM2|0lx lF2|0fx
9、lF2|0lx lM102020|cos|sinxxx102020|sin|cosxxx 102020|cos|sinlxlxfxFFF102020|sin|cosfxlxfxFFF 1020|xx1020|xxMM边界条件边界条件连续条件连续条件cossiniililAk xBk x（a）（b）coshsinhcossin(1,2)iifiifiifiifiCk xDk xEk xFk xi杆中质点的纵向杆中质点的纵向和和横向位移横向位移 解析法设计探讨解析法设计探讨得到以得到以l1、r、l2、r2、及频率为参数及频率为参数,A1到到F2为未知组的为未知组的12阶齐次方程组阶齐次方程组,令令
10、系数矩阵的行列式为系数矩阵的行列式为0,可得到变幅杆的共振频率方程可得到变幅杆的共振频率方程 4 夹角型变幅杆的应用夹角型变幅杆的应用图图7 锥形辐射面的夹角型变幅杆锥形辐射面的夹角型变幅杆 4.1 用于管内清洗时，可用于管内清洗时，可将本文的夹角型变幅杆改进为将本文的夹角型变幅杆改进为如下形式，即在变幅杆的侧面加工出许多锥形辐射面，如下形式，即在变幅杆的侧面加工出许多锥形辐射面，如下图所示如下图所示.这样每个锥面均能向管内壁辐射声波这样每个锥面均能向管内壁辐射声波.4.2 还可一端输入、多端输出，即可加工、处理多个应用还可一端输入、多端输出，即可加工、处理多个应用对象对象图图8 一端输入多端
11、输出一端输入多端输出4 结论结论 提出了夹角型纵振变幅杆并进行了有限元设计提出了夹角型纵振变幅杆并进行了有限元设计,计算和实计算和实验测试表明该变幅杆具有纵振振型验测试表明该变幅杆具有纵振振型.该型两杆的长度与半径是影响放大系数的主要因素该型两杆的长度与半径是影响放大系数的主要因素,放大系放大系数随输入杆长度减小或半径增大而增大数随输入杆长度减小或半径增大而增大,夹角影响不大夹角影响不大.变幅杆的输入杆与输出杆的连接处纵振动位移不连续变幅杆的输入杆与输出杆的连接处纵振动位移不连续,不连不连续的程度随夹角的增大而增大续的程度随夹角的增大而增大,随输入杆长度的减小或输出随输入杆长度的减小或输出杆半径的减小而增大杆半径的减小而增大.用于清洗金属内壁管时，可考虑将其改进成为具有锥形辐用于清洗金属内壁管时，可考虑将其改进成为具有锥形辐射面的变幅杆；射面的变幅杆；为实现一端输入、多端输出的设计奠定了基础为实现一端输入、多端输出的设计奠定了基础谢 谢！
