变幅杆外形结构对超声纵向振动性能参数的影响

文章编号：１００２—６８８６（２００８）０３—００６３—０２　圆锥形超声变幅　杆的固有频率测试实验研究　黄仕彪　（浙江工商职业技术学院机电工程学院，浙江　宁波３１５０１２）　摘要：本文通过设计一种简单的实验装置，用锤击法来测试变幅杆的固有频率，实验测试数据与ＡＮＳＹＳ软件分析的结果　基本一致，实验证明用锤击法测试变幅杆的固有频率是一种有效的测试方法。　关键词：锤击法测试变幅杆　固有频率　中Ｉｉｔ（ｆ类号：ＴＢ１２３　文献标识码：Ａ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｔｅｓｔ　ｏｆ　Ｃｏｎｉｆｏｒｍ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ＨＵＡＮＧ　Ｓｈｉｂｌａｏ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｉｍｐｌｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ　ｂｙ　ｈａｍｍｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈａｍｍｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｔｈｅ　ｎａｔｕｒａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｍｍｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ；ｔｅｓｔ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｎａｔｕｒａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｏ前言　圆锥形超声变幅杆是功率超声振动系统中最简单和　最常用的一种单一变幅杆，它的主要作用是放大换能器输　出端的振幅和进行声学阻抗匹配，使超声能量由超声换能　器更有效地向负载传输。在具体应用中，设计出变幅杆　的结构尺寸后，用有限元软件ＡＮＳＹＳ进行分析得出变幅　杆的固有频率。然后按照设计图纸要求加工出变幅杆，最　后必须对加工出来的变幅杆样件进行实验测试。把实验测　试结果与ＡＮＳＹＳ软件分析结果进行对比，验证设计的准　确性情况。如图１所示，本文分别对固有频率设计值分别　为１５　ｋＨｚ和２Ｏ　ｋＨｚ的两组圆锥形变幅杆进行测试，通过　多次的实验后发现实验结果与ＡＮＳＹＳ软件分析结果基本　一致，实验证明用锤击法测试变幅杆的固有频率是一种有　效的测试方法，基本上符合应用要求。　ｌ　有限元分析固有频率的结果　运用大型通用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对变幅杆进行　模态分析，得到变幅杆纵向谐振时的固有频率值　。具　体的求解过程是将Ｐｒｏ／Ｅ绘制的变幅杆　维模型转换成　ＩＧＥＳ格式，然后导入ＡＮＳＹＳ作为分析的基础，在ＡＮＳＹＳ　图１圆锥形变幅杆　图２变幅杆网格图　里选择单元类型、设置变　幅杆的材料参数，利用自　由网格划分功能得到变　幅杆的有限元网格，如图　２所示，最后无需加载并　求解得到变幅杆的各阶　固有频率，如图３的列表　所示。通过同样的方法，　求得两组软件的分析结　果如表１所示。　图３各阶固有频率　表１　软件分析结果　２测试系统原理　２．１实验原理和方法　在测量系统进行动态特性的分析和动态标定时，常采　用正弦信号或阶跃信号作为标准激励源　。由于本实验　要测试的变幅杆的固有频率很高，用高频的正弦信号激振　器很昂贵且难以购买，所以本实验选择目前比较廉价实用　的锤击法进行激振来产生阶跃信号。脉冲激振简便高效，　具有宽带频谱、设备简单、成本低，可激起较高阶的固有频　率等优点，但在着力点位置、力的大小、方向的控制等方面　需要熟练的技巧，否则会产生比较大的误差不能得出有效　的频谱图。　实验的主要处理流程是：用钢锤沿着变幅杆的轴向敲　作者简介：黄仕彪（１９７９一），男，汉族，福建龙岩人，浙江工商职业技术学院机电工程学院讲师，硕士，研究方向：机械结构设计及有限元分析　发表论文２篇。　收稿日期：２００７—１２—２７　

第２５卷第３期　２ｏｏ６年０６月　声学　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　技术　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．，２００６　

余弦形负载超声变幅杆输入阻抗特性的研究　

吕海涛，严碧歌　

（陕西师范大学应用声学研究所，西安７１００６２）　

摘要：研究余弦形负载超声变幅杆输入阻抗特性。求解了加负载时四种超声变幅杆的输入阻抗，得到加负载时输入　阻抗和Ｍｏｂｉｕｓ变换参数的统一算式。当变幅杆的输入抗分量为零时，计算了余弦形负载变幅杆的纵向振动共振频　率方程和放大系数。由输入阻抗的表达式讨论了此类变幅杆的工作稳定性条件和相对阻抗相等点，对余弦形变幅杆　的实际应用有一定的参考意义。　关键词：超声变幅杆：共振频率；放大系数　中图分类号：ＴＮ９１　１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－３６３０（２００６）－０３－０２６７－０４　

Ｉｎｐｕｔ　ｉｍｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｓｉｎｅ　ｌｏａｄｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｈｏｒｎ　

ＬＵ　Ｈａｉ—ｔａｏ，ＹＡＮ　Ｂｉ—ｇｅ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ．Ｓｈａａｎｘｉ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎ＆ｅｍｉｔｙ，Ｘｉ　∞７１００６２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｐｕｔ　ｉｍｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｃｏｓｉｎｅ　ｌｏａｄｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｈｏｒｎ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｎｐｕｔ　ｉｍｐｅｄ—　

ａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｏｕｒ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｌｏａｄｅｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ　ｕｎｉｆｉｅｄ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｉｎｐｕｔ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ａｎｄ　

Ｍｏｂｉｕｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ．Ａｔ　ｚｅｒｏ　ｉｎｐｕｔ　ｒｅａｃｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｈｏｒｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　

超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而它自身消耗很少一部分功率（小于10%）。所以，使用超声波换能器最主要考虑的问题就是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。

超声波换能器分类：

1、柱型

2、倒喇叭型

3、钢后盖型

4、中间夹铝片型

主要适用于超声波塑料焊接机、超声波切割刀、超声波金属焊接机，超声波清洗机，超声波声化学设备等。

超声波换能器在合适的电场激励下能发生有规律的振动，其振幅一般10μm左右，这样的振幅要直接完成焊接和加工工序是不够的。连上通过合理设计的变幅杆后，超声波的振幅可以在很大的范围内变化，只要材料强度足够，振幅可以超过100μm。

因加工方式和要求不同，换能器的工作方式大致可分为连续工作（如花边机，CD机，清洗机，拉链机）和脉冲工作（如塑料焊机），不同的工作方式对换能器的要求是不同的。一般而言，连续式工作几乎没有停顿时间，但工作电流不是很大，脉冲工作是间歇的，有停顿，但瞬间电流很大。平均而言，二种状态的功率都是很大的。 使用超声波换能器最主要考虑的问题就是与输入输出端的匹配，其次是机械安装和配合尺寸。换能器的频率相对而言还比较直观些。该频率是指用频率（函数）发生器，毫伏表，示波器等通过传输线路法测得的频率，或用网络阻抗分析仪等类似仪表测得的频率。一般通称小信号频率。与它相对应的是上机频率，即客户将换能器通过电缆连到机箱上，通电后空载或有载时测得的实际工作频率。因客户匹配电路各不相同，同样的换能器在不同的驱动电源（电箱）表现出来的频率是不同的，这样的频率不能作为交流讨论的依据。

让换能器和驱动电源、模具良好配合以形成一台完整的超声波设备可以简称为匹配。由于匹配对整机性能的影响是决定性的，无论怎样强调匹配的重要性都不为过。匹配最主要考虑的因素是换能器的电容量，其次是换能器的频率。

换能器与驱动电源的匹配主要有4个方面，即阻抗匹配、频率匹配、功率匹配、容抗匹配。其中最主要的是容抗和频率。如前所述因为陶瓷片是绝缘体，你几乎可以理解为换能器是不通电的，它只是相当于一个电容器。要使换能器工作，实际上是通过驱动电路对它施加交流高电压，让换能器的电容充放电。压电陶瓷片在交变电场的作用下做同步伸缩变形，形成了整个换能器的纵向振动，从而带动变幅杆和模具振动。所以，若电容匹配不好，轻者是换能器无力，焊不牢；重者换能器发热严重，烧电极片、烧电源的大功率管。我们的换能器产品附有产品性能参数表，给出了每个换能器的电容和频率。驱动电源应该根据换能器的电容量，调整高压变压器，匹配电容板，峰化线圈，调频线圈等的参数。由于电感和电容量的敏感性，功放板，扼流线圈及其他外围电路对匹配也有影响。而且随着工作进行，换能器的温度会升高，导致电容也会升高且变化量可能会超过50%，若不能将电容有效地匹配掉，就会造成回路中电流电压相位差很大，功率因素很低，虚功高。看看电流很大，但换能器没力，易发热，且电源的功率器件也容易发热损坏。一般换能器电极片（耳朵）振裂或烧掉很可能就是由此引起的。

第３ｌ卷第４期　安徽理工大学学报（自然科学版）　２０１　１年１２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｖｏｌ＿３１　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２０１１　

悬链线形变幅杆的理论研究和有限元分析　

刘亚慧　，付志强　

（１．安徽理工大学理学院，安徽淮南２３２００１；２．陕西师范大学应用声学研究所，陕西西安７１００６２）　

摘要：根据一维变截面杆纵向振动的波动方程，推导了悬链线形变幅杆的等效电路，由等效　

电路得出了其纵向振动的频率方程。利用有限元轳－伴ＡＮＳＹＳ对一组悬链线变幅杆进行谐响　

应分析和模态分析，得到了位移一频率曲线和共振频率；结果表明，模态分析值与理论值吻合　

很好。这对悬链线形变幅杆的实际应用具有一定的参考意义。　

关键词：悬链线形变幅杆；等效电路；共振频率；模态分析　

中图分类号：０４２１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—１０９８（２０１１）０４—００２５—０３　

Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｃａｔｅｎａｒｙ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｈｏｒｎ　

ＬＩＵＹａ—ｈｕｉ　．ＦＵ　Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇｚ　

（１．Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｍｎ￣Ａｎｈｕｉ　２３２００１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｎｏｒ－　

ｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｈｎ　Ｓｈａａｎｘｉ　７１００６２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗａｖｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｒｏｄ，　

ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｔｅｎａｒｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ　ｉｓ　ｄｅｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ