[發明專利]一種Kresling構型啟發的縱波扭轉波換能器及其設計方法

有效

• 申請號: 202110930164.4
• 申請日: 2021-08-13
• 公開（公告）號: CN113714075B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 莊國志;許著龍;王丹鳳
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B06B1/06
• 分類號: B06B1/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種Kresling構型啟發的縱波扭轉波換能器，其特征在于，包括Kresling構型單元、輸入桿和輸出桿,所述輸入桿和輸出桿均為等徑圓桿，輸入桿和輸出桿的截面半徑相同；所述的Kresling構型單元的上、下底面均是正n多邊形，其側面由2n個三角形組成；所述Kresling構型單元的一個底面與輸入桿的端面相連，另一個底面與輸出桿的端面相連，且輸入桿與輸出桿的軸線重合；所述Kresling構型單元底面的外接圓半徑與輸入桿和輸出桿端面的外接圓半徑相等。

2.根據權利要求1所述的Kresling構型啟發的縱波扭轉波換能器，其特征在于，輸入桿和輸出桿的長度與Kresling構型單元底面外接圓半徑的比應小于20。

3.一種權利要求1所述的縱波扭轉波換能器的設計方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)確定工作頻率及設計需求，所述設計需求指換能器設計為純扭振動或縱-扭組合振動；

(2)確定連接在Kresling構型單元兩端的輸入桿和輸出桿的尺寸；

(3)取Kresling構成單元上、下底面的外接圓半徑與輸入桿和輸出桿桿截面的外接圓半徑相等，取Kresling構成單元的初始高度與其上、下底面的外接圓半徑相等，取Kresling構成單元初始的扭轉角度為60度；

(4)通過有限元軟件計算步驟(3)初始情況下的縱向振動、扭轉振動及縱-扭振動比隨頻率的變化情況；

(5)根據實際設計需求，選擇符合設計需求的換能器頻率；當設計需求為純扭振動，則選擇扭轉振動及縱-扭振動比大的頻率，當設計需求為縱-扭組合振動，則選擇縱向振動及扭轉振動大，縱-扭振動比為零的頻率；

(6)比較步驟(5)選擇的換能器頻率與實際的工作頻率，若換能器頻率與工作頻率相符，則完成設計；如換能器頻率不符合工作頻率，則修改換能器的設計參數，并重復步驟(4)和(5)，直至選擇的換能器頻率符合工作頻率。

4.根據權利要求3所述的設計方法，其特征在于，所述的步驟(5)具體為：當設計需求為純扭振動，則選擇扭轉振動及縱-扭振動比大于20分貝的頻率，當設計需求為縱-扭組合振動，則選擇縱向振動及扭轉振動大于20分貝，縱-扭振動比為零的頻率。

5.根據權利要求3所述的設計方法，其特征在于，步驟(6)中，所述的修改換能器的設計參數具體為：

當選擇的換能器頻率高于工作頻率時，則首先增加Kresling構型單元的高度并重復步驟(4)和(5)，如高度增加到調整上限仍無法滿足要求，則進一步減小Kresling構型單元的扭轉角度并重復步驟(4)和(5)，如扭轉角度達到調整下限仍無法滿足要求，則改變Kresling折紙換能器的材料為楊氏模量更小的材料并重復步驟(4)和(5)；

當選擇的頻率低于工作頻率時，則首先減少Kresling構型單元的高度并重復步驟(4)和(5)，如高度減少到調整下限仍無法滿足要求，則進一步增大Kresling構型單元的扭轉角度并重復步驟(4)和(5)，如扭轉角度達到調整上限仍無法滿足要求，則改變Kresling折紙換能器的材料為楊氏模量更大的材料。

6.根據權利要求5所述的設計方法，其特征在于，所述Kresling構型單元的高度不超過底面外接圓半徑的兩倍，不小于底面外接圓半徑的一半。

7.根據權利要求5所述的設計方法，其特征在于，所述Kresling構型單元的扭轉角度調整范圍為30-90度。