阶梯形超声变幅杆的设计分析

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Ｄｉｆｅｒｅｎｔｓｈｐｅａｓｆｏｌｕｆｉｎｆｇｒｏｄｓｈａｖｅｔｈｅｉｒｏｗｎａｄｖｎｔａａｇｅｓｎｄａｄｓｉａｄｖｎｔａｇｅａｓ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｃｉｌａｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｕｌａｔｏ
助设计可以在很大程度上可以克服数学模型的一些问题，并得到具有参考价值的结果，这就可以做为一种新的设计和校
核的方法。
关键词：超声波；变幅杆；有限元中图分类号：ＴＨ１６；ＴＱ０５１．９＋１文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３９９７（２０１３）１２ — ００１４ — ０３
（１．ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａｎｘｉＴａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．ＴａｉＹｕａｎＴＡＩＣＯＡｕｔｏＥｌｅｃｔｒｏｎＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＳｈａｎｘｉＴａｉｙｕａｎ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）
机械设计与制造
ｌ４
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第１２期２０１３年１２月
阶梯形超声变幅杆的设计分析
薛庚健，马麟，李亚洁。
（１．太原理工大学机械工程学院，山西太原０３００２４；２．太原太航汽车电子有限公司，山西太原０３０００６）
ｕｌｔｒｓｏａｎｉｃｍａｃｈｉｎｉｎｇｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅｎｄａｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｒｉｇｎｄｉｎｇａｌｓｏｉｓｒａｇｄｕｌｌａｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｏｍｅｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｖａｒｉｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃｔａｉｏｎｆｏｖａｒｉｏｕｓｋｉｎｄｓｏｆｉｎｆｅｐｏｗｄｅｎｈａｓｂｅｅｎｆｏｃｕｓｅｄｉｎｌｌａｉｅｆｌｄｓ．Ａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｔａｔｈｅｐｐａｌｉｃｔａｉｏｎｏｆ
摘
要：当前由于科技的进步和对于各种材料的精度１３益提高，各种细微粉体在各个领域受到了广泛的关注。随着超声
加工的应用日益广泛，其中超声粉碎也逐渐应用于一些行业，由于各种形状的变幅杆都具有其各自的优缺点。利用理论设计公式求出变幅杆的参数，运用有限元分析软件ａｎｓｙｓ对阶梯形变幅杆进行模态分析，得到的结果表明利用计算机辅
ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｐｒａａｍｅｔｅｒｓｆｏｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ａｎｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｓｉ３ｏｆ￣ｗｒｅａＡＮＳＹＳｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔｅｐｈｏｒｎ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｔａｔｈｅｕｓｅｆｏｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄｄｅｓｉｇｎｉｓａｂｌｅｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｓｏｍｅｆｏｔｈｅｍａｔｈｅｍｔａｃａｉｌｍｏｄｅｌｐｒｏｂｌｅｍｓ．ａｎｄｇｅｔｖｄｕｂｌａｅｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｃｏｍｂｉ￣ｕｓａｇｅｆｔｏｈｅｏｒｅｔｃｉｌａｍｅｔｈｏｄａｎｄｉｎｆｉｔｅｅｌｅｅｎｍｔａｎａｌｙｓｉｓｃ觎ｂｅｓｅｕｄｓａａｎｅｗ
ＳｔｅｐｐｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓＸＵＥＧｅｎｇ－ｊｉａｎ，ＭＡＬｉｎ，ＬＩＹａ－ｊｉｅ

超声变幅杆的应用与发展

Science &Technology Vision1变幅杆的功能简介超声变幅杆是超声振动系统中的重要组成部分，又称为超声聚能器和超声变速杆。

在超声技术中它不仅具有放大机械振动系统质点的位移或速度功能，还具有将振动能量聚集和匹配系统阻抗的作用。

在超声振动系统中，换能器是整个系统的振动源，但是在振动频率高达2000Hz 的范围内，换能器端面的输出振幅仅有几微米，这样达不到实际使用的要求，在这种情况下就需要在换能器上安装变幅杆体到增幅作用。

当换能器向液体介质辐射声场时，由于声波在传播的过程中经过不同的介质阻抗不匹配，导致能量的传输效率下降，此时就可以使用变幅杆通过增大辐射面积来进行阻抗匹配，从而提升了能量传输的效率。

随着声学技术的发展，变幅杆的应用愈加广泛，将会发挥更大的作用。

2变幅杆的研究现状2.1发展历史为了提高超声应用系统的功率和效率，人类早在20世纪40年代就发明了纵振指数型变幅杆，到了50年代悬链线型变幅杆和多级组合变幅杆被苏联学者提出。

60年代对变幅杆的研究更加深入，对变幅杆的设计要求更细更高，提出了描述变幅杆形状因数的概念，并成功设计出高斯型变幅杆，该变幅杆具有应力沿杆件均匀分布的特点从而提高了变幅杆的使用寿命并获得高位移振幅。

80年代森荣司等又提出夹心弯曲换能器结构，90年代根本佐久良雄等人则提出了夹心扭转换能器结构，随着换能器技术的进步与之匹配的变幅杆也得到了相应的发展，弯曲振动变幅杆和扭转振动变幅杆也先后被研发并应用，这样使变幅杆的工业应用范围进一步扩大。

变幅杆除了以上杆件形状外，等厚度或变厚度的盘形或环形以及大块状变幅杆在大功率超声冷拔丝、超声焊接、超声切割中得到应用。

总之随着超声技术的进步变幅杆从简单到复杂，应用领域愈加广泛。

2.2研究现状随着超声技术应用的日益广泛，对超声系统的要求也越来越高，变幅杆作为超声系超声变幅杆的应用与发展巩建辉赵鹏姚静基金项目:商洛职业技术学院2019年重大课题项目(JXKT2019006)。

超声变幅杆的模态分析

社 ,1995.
[2 ] 王先逵 . 精密加工技术实用手册 [ M ] . 北京 : 机械工业
出版社 ,2001.
[3 ] 石川寅一 . 振动应用工学 [ M ] . 日本 : 金泽工业大学出
作者简介 : 万德安 ( 1941 - ) , 男 , 浙江杭州人 , 同济大学教
授 ,博士研究生导师 ,日本大阪大学工学博士 , 主要从事精密测试与控制、振动与噪声、故障诊断等方向的研究。
(2 )
0 引言
超声加工技术是一种重要的特种加工方法。超声加工装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆等组成 ,变幅杆的作用是将换能器输出的机械振动位移或速度振幅进行放大 , 使能量集中在较小的辐射面上 ,所以又称为超声聚能器 ,其声学振动特性对整个超声加工装置非常重要。传统的分析方法离不开繁琐的公式推导。应用有限元法对其进行模态分析 ,获得了若干重要参数 , 如共振频率、横向振动频
1 机械与电子22004 ( 4)
4 结束语
超声变幅杆往往具有规则的形体 , 可以获得精度很高的有限元模型。模态分析法可以定性、定量且直观地得到变幅杆的多个特性参数 , 对超声变幅杆的设计、校核和分析提供了一种新的方法。・1 1 ・
汽车悬架路面自适应半主动控制研究
曹树平 ,易孟林
图5 特征向量分布
所得参数与理论值的比较如表 1 所示。通过与理论计算值的比较 ,可以知道 ,模态分析取得了较高的精度。而且通过模态分析 ,知道横向振动模态频率与纵向振动频率较为接近 , 如果激振声频波动较大时 ,可能会引起变幅杆的横向振动。
图2 有限元模型
表1 模态分析值与计算值
收稿日期 :2003 12 31

超声变幅杆的原理

超声变幅杆的原理
超声变幅杆是一种利用超声波技术来检测物体缺陷或测量物体尺寸的仪器。

它的原理是利用了超声波在不同介质中传播速度不同的特性，将超声波从探头发射到被测物体中，然后接收从被测物体中反射回来的超声波信号，进而分析得到被测物体的信息。

超声波在被测物体中传播时，会遇到不同的物理参数的变化，比如介质密度、声速等的变化，从而导致超声波的传播速度发生变化。

当超声波遇到物体内部的缺陷或者界面时，会发生反射和折射现象，这些现象会使得从被测物体中反射回来的超声波信号发生变化。

利用超声变幅杆，可以通过检测这些反射和折射信号的强度和时间延迟等特征，来确定被测物体的缺陷类型和位置，或者物体的尺寸和形状等信息。

超声变幅杆通常由超声探头、信号放大器、显示器等组成。

超声探头用于发射和接收超声波信号，信号放大器用于增强和处理接收到的超声信号，显示器用于显示被测物体的信息。

超声变幅杆广泛应用于金属、非金属、复合材料等领域的材料检测、结构健康监测、医学诊断等方面。

1/ 1。

超声波焊接线结构设计-基本型.阶梯型

( 0.7 ) 防止位置偏移
( 0.9 ) 引導孔
阶梯型设计及用处
防止溢料改善外观
阶梯型设计例子
榫槽型设计例子
超声线及火花纹设计
Branson/Mold-Tech Texture Designation
Branson300 Branson450 Branson600
Pattern Depth
（0.03）
0.3
0.4R型很重要来自45°~ 60° 1.0
Join Design③
肉厚約 0.8 mm以下時 ( 0.4 )
0.03 0.4
0.25
0.5
30°～ 45°
0.8
Join Design④ 防止位置偏移(斷差)
肉厚 0.7 mm以下時
0.7＞
( 0.5 )
防止位置偏移引導加厚部
0.25
0.010” to 0.025” (0.25 to 0.64mm)
0.060” (< 1.50 mm)
Chisel energy director 45º 0.015 to 0.019” tall (0.4 to 0.5mm)
Before
After
超声焊接结构
阶梯型
Step Joint
0.8 0.03
75 μm 115 μm 150 μm
超声线及火花纹样板
刀边型加上火花纹
超声熔化效果
无火花纹
有火花纹
超声焊接结构
阶梯型
Continuous Criss-Cross Energy Director
超声焊接结构
榫槽型
Tongue & Groove
3.0
2.0

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超声波焊接线结构设计-基本型.阶梯型

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