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1、第25卷第1期声学技术Vol.25,No.12006年02月TechnicalAcousticsFeb.,2006超声变幅杆设计方法研究贺西平,高洁(陕西师范大学应用声学研究所,西安710062)摘要:超声变幅杆是超声振动系统中一个重要的组成部分,经常在高声强超声中应用。从声学角度出发,对超声变幅杆有许多种设计方法。本文在综合有关文献的基础上,阐述了常用的设计变幅杆的方法,如传统的设计方法,等效电路法,替代法(机械阻抗相等法),传输矩阵法,有限元法,表观弹性法等等。文中比较了这些设计方法的特点,提出了应用相应方法时应该注意的问题。为了能进一步简化设计,
2、方便记忆,文中提出了用设计方法本身统一各单级变幅杆各性能参数的表达式等今后需要研究的问题。关键词:变幅杆;等效电路;替代法;传输矩阵;有限元方法中图分类号:O422.7文献标识码:A文章编号:1000-3630(2006)-01-0082-05AreviewofultrasonicsolidhorndesignHEXi-ping,GAOJie(AppliedAcousticsInstitute,ShaanxiNormalUniversity,Xi'an710062,China)Abstract:Solidhornisanimportantcompone
3、ntinultrasonicvibrationsystem,oftenusedinhighpowerultrasoundapplications.Newadvancesinvariousdesignmethodsofultrasonicsolidhornisreviewed,forexample,conventionalanalyticalmethod,methodsofequivalentcircuit,mechanicalimpedance,transfermatrix,finiteelement,andapparentelasticmodules
4、,etc.Characteristicsofdifferentmethodsarecompared,andproblemsthatneedfurtherstudiesarepointedoutsuchasseekingaunifiedexpressionforperformancefactorsofsolidhornswithcommonshapefunctions.Keywords:solidhorn;equivalentcircuit;mechanicalimpedance;transfermatrix;finiteelementmethod在换能
5、器的端面连接超声变幅杆,才能将机械振动1引言幅度放大到符合要求。另外,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超声变幅杆是超声振动系统中一个重要的组匹配,使超声能量更有效地从换能器向负载传输。成部分,它在振动系统中的主要作用是把机械振动上世纪40年代发明的纵振指数型变幅杆,是为的质点位移或速度放大,并将超声能量集中在较小了高强大功率超声波的应用,50年代原苏联学者提的面积上即聚能,因此也称超声变速杆或超声聚能出悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆,60年代提出器。在高声强超声如超声加工、超声焊接等应用中,了描述变幅杆形状因数的概念,并
6、发展了一种应力辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米,只有沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆,获得了高位移振幅。森荣司提出振动方向变换器,开辟了用变幅杆件收稿日期:2005-02-03;修回日期:2005-04-11功率合成方法获得高强特大功率(50KW以上)超声作者简介:贺西平(1965-),男,江西永新人,硕士导师,教授,研究方向的途径。上世纪80年代森荣司等又提出夹心弯曲换为超声工程、水声换能器的理论和设计、声传感及信号处能器结构[1],90年代根本佐久良雄等人则提出了夹理等。第1期贺西平等:超声变幅杆设计方法研究83心扭转换能器结构[2],随后又出现
7、了弯曲振动变幅V!!1V!2!杆[3,4]和扭转振动变幅杆[5],扩大了工业应用范围。除了以上杆件形状外,在大功率超声冷拔丝、管等F!1!F!2!应用中出现了等厚度或变厚度的盘形或环形聚能器[6-8];在超声焊接、切割中又出现了大型块状变幅(a)四端网络(Four-terminalnetwork)杆件[9]。!z1!!z2!按照振动类型,可分为纵振、扭振、弯振以及复合振动(纵弯、纵扭)[10,11]四类,在功率超声的加工和F!1!!z3!F!2!处理应用中,纵振型应用最为普遍。从单一变幅杆的母线形状来分类,又可分为阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶
8、、余弦等类型,若将这些单一形(b)等效的T型网络(ThekindofequivalentTne
