[發明專利]基于聲子晶體槽的超聲波振動系統及其徑向振動抑制方法

有效

• 申請號: 201811650924.0
• 申請日: 2018-12-31
• 公開（公告）號: CN109499829B
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 林書玉
• 申請（專利權）人: 陜西師范大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06;B06B3/00
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 郝燕燕

一種基于聲子晶體槽的超聲波振動系統及其徑向振動抑制方法，級聯式壓電陶瓷復合換能器的輸出端上設置有超聲波變幅桿，超聲波變幅桿的輸出端上設置有具有聲子晶體周期槽結構的圓柱工具頭。本發明的金屬圓柱工具頭上加工有聲子晶體周期槽后具有徑向振動頻率帶隙，將本發明的工作頻率包含于金屬圓柱工具頭徑向振動頻率帶隙內，則金屬圓柱工具頭的徑向振動得到抑制，同時，振動系統中的縱向振動得到加強，且改善了金屬圓形工具頭縱向輻射面上的縱振動位移分布的均勻程度。

技術領域

本發明屬于超聲振動技術領域，具體涉及到一種基于聲子晶體周期槽的大尺寸超聲波圓形振動系統及其徑向振動抑制的設計方法。

背景技術

隨著超聲技術的發展，功率超聲波技術在機械制造領域的應用日趨廣泛，例如超聲波機械加工、超聲波金屬以及塑料焊接、超聲波珩磨、超聲波金屬成型等等。針對此類大功率超聲波技術應用，超聲波振動系統主要由三部分組成，即夾心式功率超聲換能器、超聲波變幅桿以及各種不同形狀的超聲波振動工具頭。其中，夾心式功率超聲換能器和超聲波變幅桿是功率超聲振動系統的通用組成部分。一般來說，針對各種不同的功率超聲波技術應用，夾心式功率超聲換能器和超聲波變幅桿的結構和形狀是不會發生明顯的變化的，但超聲波振動工具頭則必須適應各種不同的技術需求，也就是說，針對不同的功率超聲技術應用，需要設計和加工不同形狀及不同用途的超聲波振動工具頭。

在功率超聲振動系統中，夾心式功率超聲換能器的作用是將一定頻率及一定功率的高頻電能借助于壓電陶瓷材料的壓電效應轉換成超聲頻的機械振動。超聲波變幅桿的作用是將壓電陶瓷換能器產生的超聲頻機械振動加以放大，以滿足不同的功率超聲技術的特殊要求。超聲波工具頭則是根據具體的超聲波應用技術而設計的獨特的超聲波振動體，通過超聲波工具頭各種不同的形狀和結構設計，將換能器和變幅桿產生的超聲振動有效的傳遞給各種不同的工件中，滿足不同的功率超聲技術應用需求。

根據不同的功率超聲技術應用，例如超聲波加工以及超聲波焊接等，常用的超聲波工具頭包括金屬細長棒、粗短金屬圓柱體(也包括圓環體)、矩形六面體以及立方體等。

對于功率超聲振動系統的設計，傳統的設計方法是基于一維縱振動理論。這一理論要求振動系統的橫向幾何尺寸要遠小于其縱向幾何尺寸。一般情況下，當振動系統的橫向幾何尺寸小于縱振動波長的四分之一時，一維縱振動理論的理論設計結果與實際值基本符合。如果大功率超聲振動系統的幾何尺寸不滿足一維理論的要求，將會出現比較大的設計誤差，此時，一維縱振動設計理論不再適用，必須發展新的設計理論。

隨著功率超聲技術的發展，越來越多的功率超聲振動系統的幾何尺寸不滿足一維縱向振動理論的要求，例如為了加工或者焊接尺寸較大的機械部件，必須選擇相應幾何尺寸的超聲波工具頭。此時超聲波工具頭的橫向幾何尺寸接近于工具頭的縱向尺寸，有時可能大于其縱向尺寸，此時傳統的一維縱振動設計理論不再適用。對于大尺寸的超聲波工具頭，由于橫向振動以及耦合振動的出現，工具頭輻射面的縱振動位移分布的均勻程度變差，導致超聲波的作用效果下降，嚴重影響產品質量。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種設計合理、結構簡單、工作效率高的基于聲子晶體槽的大尺寸超聲波振動系統。

解決上述技術問題所采用的技術方案是：級聯式壓電陶瓷復合換能器的輸出端上設置有超聲波變幅桿，超聲波變幅桿的輸出端上設置有具有聲子晶體周期槽結構的金屬圓柱工具頭。

作為一種優選的技術方案，所述的級聯式壓電陶瓷復合換能器包括至少2組壓電陶瓷晶堆，相鄰壓電陶瓷晶堆之間設置有金屬圓柱體。

作為一種優選的技術方案，超聲波變幅桿是由階梯型變幅桿、圓錐形變幅桿、指數型變幅桿、雙曲線型變幅桿中得一種或2種串聯構成。

作為一種優選的技術方案，所述的具有聲子晶體周期槽結構的金屬圓柱工具頭為金屬圓柱體的側壁上沿圓周方向設置有徑向槽。