[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

本發明公開了一種Kresling構型啟發的縱波扭轉波換能器及其設計方法。其包括Kresling構型單元、輸入桿和輸出桿；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。本發明的換能器加工制造簡單、安裝更換方便，成本低廉、工作頻率可以按需設計。本發明進一步提出了其設計方法，通過本發明方法可以獲得所需工作頻率的換能器，滿足純扭振動或縱?扭組合振動的需求。

技術領域

本發明屬于換能器設計領域，具體設計一種Kresling構型啟發的縱波扭轉波換能器及其設計方法。

背景技術

組合縱向-扭轉振動和純扭轉振動在工程技術領域，特別是超聲焊接，超聲鉆孔，超聲拋光等領域有十分廣泛的應用。通常而言，縱向振動比較容易形成，但是扭轉振動難以形成。

目前工程技術人員已經提出多種技術和結構來實現組合的縱向-扭轉振動，常見技術包括：1)通過分別利用可以產生縱向振動的壓電片和剪切振動的壓電片進行組合，通過合理的尺寸設計實現組合的縱向-扭轉振動；2)通過在桿的表面設計螺旋型窄縫，將縱向振動轉換為組合的縱向-扭轉振動。

然而，針對現有的技術1)，需要單獨的剪切振動壓電片，一般而言，剪切壓電片成本高于縱向振動壓電片，而且，由于結構扭轉振動模態與縱向振動模態的頻率存在差異，結構需要經過特殊的設計才可以。針對技術2)，在桿的表面設計螺旋形窄縫需要破壞結構，加工制造麻煩，而且一旦加工完成，便不可再進行修改。因此，設計一款加工制造簡單、替換方便的縱波扭轉波換能器十分有必要。

發明內容

針對現有縱波-扭轉波換能器產品加工工藝復雜，加工成本高昂，工作頻率難以調節，難以適應不同工況場合，本發明提供了一種基于構型啟發的加工制造簡單、安裝更換方便，成本低廉、工作頻率可以按需設計的縱波-扭轉波換能器。不同于傳統的縱波-扭轉波換能器方案(在桿上開槽，需要借助機床等設備)，本發明提出的縱波-扭轉波換能器可以通過3D打印加工，并直接安裝到對應設備上。

本發明的技術方案是：

本發明首先提供了一種Kresling構型啟發的縱波扭轉波換能器，其包括Kresling構型單元、輸入桿和輸出桿；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。

進一步的，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。

進一步的，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。

進一步的，通過設計Kresling構型單元的幾何尺寸，可以改變產品工作頻率，以適應不同的工況需求。

優選的，本發明提出的縱波-扭轉波換能器可以通過3D打印進行加工制造，不需要復雜的工藝。

另一方面，本發明提供了一種上述的縱波扭轉波換能器的設計方法，其包括如下步驟：

(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；