复合模式压电超声换能器地研究.pdfVIP

复合模式压电超声换能器的研究 林书玉 0062) (陕两师范大学应用声学研究所，西安，71 ontheCO re ezoelectrictransducer Study rI／posipi Lin Shuyu Acoustics Teachers fApplied Institute，ShaanxiUniversity，XJan) 摘要 本文对斜槽式级一扣复合振动模式压电超声换能器进行了理论及实验研 究。推出了换能器的机电等效电路，探讨了槽的倾斜程度对复合超声换能器的 共振频率的影响。实验表明，理论预测频率与实测频率基本～致。 1．引言 随着科学技术的弋速发展．一些传统的功率超声技术，例如趣声焊接，超 声加工以及超声疲劳试验等，得到了越来越广泛的应用。与此同时，一些新的 超声应用技术，例如超声马达．超声宝石加工等，也因为其广泛的应用前景而 受到了人们的普遍重视。与超声技术的飞速发展描适应，作为超声设备的核心 部分，即超声换能器，电成为人们普遍关注的重点研究对象。一些新型的超声 换能器振动系统，如弯曲、扭转以及纵～扭和纵一弯复合振动模式超声换能 器，成了超声研究者们研究的重点课题之一。与传统的纵向振动超芦换能器的 振动产生方式不同，扭转及级～丰H复合振动模式超声换能器中扭转振动的产生 可由两种方式来实现。一种是通过振动模式的转换1，另一种是通过切向极化的 压电陶瓷晶堆2。在第一种方法中，传统的振动模式转换的方法包括利用两个纵 向换能器在一个传振杆的两例形成推挽式的振动，而在传振杆中产生扭转振 动。对于这种方法，振动系统的功率可以根人，但纵向与扭转振动之间的转换 效率不高，而且系统的体积较大。另一}十利用模式转换产生扭转振动的方法是 通过在纵向振动换能器的输出端连接一个类似机械加工钻头的麻花形传振杆。 由于传振杆的形状复杂，因此，此类振动系统的理论设计及计算相当复杂，不 利于一般的工程设计及应用。剐于由切向极化晶堆产生的扭转振动，其理论设 计基本成熟，但由于切向极化压电晶片的制作工艺复杂，尤其是扇形晶片的切 向极化，当尺寸较犬时，会出现许多问题，诸如电击穿及极化不完全等。因此 尽管此类换能器的结构较简单，但功率容量不大，在目前的陶瓷生产工艺水平 下，很难研制大功率高性能的扭转振动换能器。为了解决上述问题，日本学者提 出了一种用于超声马达的斜槽式纵一扭复台模式超声换能器3，但关于此类换能 器的理论计算及设计．尚缺乏系统的理论探讨。本文从纵一扭振动模式相互转 换的原理出发，从理论上导出了此类复合振动模式超声换能器的机电等效电 路，并探讨了斜槽的倾斜程度对换能器共振频率的影响。 2．斜槽式纵一扭复合模式超声换能器的等效电路分析 斜槽式纵一扭复合模式超声换能器由两部分组成，第一部分为纵向振动夹心式 压电超声换能器，第二部分为斜槽式传振杆。由于斜槽的作用，在传振杆中部 分纵向振动将转换为扭转振动，因而在其输出端，就会产生纵向及扭转两种振 动的分量。很显然斜槽的几何尺寸、形状以及倾斜程度将会对系统的振动性能 产生一定的影响。假定剥槽为一理想的几何线段，目口槽的宽度为无限小。因 此，斜槽的出现，对振动体的质量没有什么影响，它仅仅起到了一个把传振杆 中的纵向振动转变为扭转蔽动的作用。令传振杆中的作用力为纵向力F，由于 斜槽的出现，在斜槽的后也，纵向力F将分解为两部分，即纵向力分量F及切 向力分量F，其中纵向力一}量沿着传振杆的轴线方向：关于切向力分量．在截 面上任一点的切向力分量、g直于半径的方向，由切向力产生的总力矩是所有切 向力在整个截面上二的扭矩的积分。这两个力分量的大小可由下式给出， F=F (1)一(2) F=Fcos(∽： sin(研 根据振动系统的纵向振动及扭转振动理论，纵向