超声振动系统扭纵共振频频率简并地研究.pdfVIP

超声振动系统扭纵共振频率简并的研究 周铁英张立群薛毅 陈宇 滑华大学物理累北京100084zhoutyOmaJl。tsinghua。edu．cn 在同一振动系统中，由于纵波波速比扭转波速快的多，因此纵振频率远高于扭振共振频 率，这导致系统工作性能差，效率低。 为了使两种共振频率简并，可以采用多种方法，本文研究了能应用于超声马达和超声焊 接振动系统中扭纵共振频率简并的一种方法，即通过细颈将一匹配质量联结到朗之万式扭纵 振动换能器的端部。细颈能较强地耦合纵波，伎附加质量明显地降低了原换能器的纵振基频 其振频率、而细颈又能较强地隔离扭转波，使附加质量对原换能器的扭振共振频率几乎不产 生影响。 我们首先选用具有不同细颈和匹配质量的钢棒进行了理论和实验研究，采用～维网络 传输矩阵法和有限元法进行了计算，计算结果表明，当细颈直径小于原振动系统直径的～半 时，就会有明显的隔离扭振的效果。之后我们对4种尺寸的钢棒进行了实验测试，并与理论 计算进行了对比，结果表明这种方法是可行的。当有限元的单元划分足够多时，有限元方法 计算的结果更接近于实验测试值。文中给出网络传输矩阵法的计算图表，有限元法计算的实 例，以及实验测试的数据。 实验测试采用纵振压电片与切变压电片分别激励和接受的方法，以排除谐波和弯曲波 等模式的干扰，测量用压电片质量约为钢棒质量的千分之一，保证了测量的准确性。 I!!与叫 ＼ }L ＼ 8 图1．实验用钢棒 图2．位移分布：细颈对扭振的隔离作用 2是D2=lOmm时，用一维网络法计算的扭振位移分布：很明显，细颈具有很强的隔离扭振作用。 表1网络法、有限元法计算值与实验比较： ～——～．呈2lmml 10 16 2廿 30 Nctwork22．3S 24．4 24．98 25．50 fL FEM 16．47 20，55 22．94 25．53 kHz 1S．95 ZT．60 24．32 Experiment Z5．5B Neh,／ork 26．71 29．21 3D．36 31．00 fT FEM 26．32 27，83 29．34 31．0一 kHz ExDerimenI27．09 28．50 31．40 3Z．20 ·397。 表1是对不同D。分别用有限元法和网络法计算的纵振f。和扭振f。共振频率．和实验测试值。 扭振已无明显隔离作用。图4是我们用有限元法计算的马达的扭振模式。 T． L．PZT 匹配块 b“ 图3n、ft共振频率随13／11、D3／DI的变化图4有限元计算的扭振模式 (a)定子结构 (b)轴、弹簧片与转予 图5。马达结构示意图 图5是实验马达结构。利用匹配质量方法，研制