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专利号: 201811638182X
申请人: 陕西师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 一般机械振动的发生或传递
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种声阻抗主动匹配的超声振动方法,其特征在于由以下步骤组成:

向级联式功率超声换能器(1)施加激励电压,多组换能压电陶瓷晶堆被激励后同时产生轴向的机械振动,在末端连接的金属连接体上叠加并将叠加后的高强度超声振动作用于超声波变幅杆(2)的振动输入杆(21)上,之后轴向传输给振动输出杆(22),通过振动输出杆(22)变换成适合的振动能量作用在负载介质上,同时,调整可变电阻抗(23)至合适阻抗,并利用变幅压电陶瓷晶堆(24)的机电转换性能将负载阻抗转换成适合于级联式功率超声换能器(1)的最佳匹配阻抗,实现超声振动系统的声阻抗主动匹配。

2.实现权利要求1所述方法的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于包括级联式功率超声换能器(1)和具有声阻抗主动匹配功能的超声波变幅杆(2);

所述级联式功率超声换能器(1)由多组换能压电陶瓷晶堆和金属连接体组成,一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆之间通过金属连接体连接,一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆的引线并联连接在激励电源上;

所述超声波变幅杆(2)连接在级联式功率超声换能器(1)的振动输出端,所述超声波变幅杆(2)包括依次连接的振动输入杆(21)、变幅压电陶瓷晶堆(24)以及振动输出杆(22)和连接在变幅压电陶瓷晶堆(24)之间的可变电阻抗(23);所述可变电阻抗(23)与变幅压电陶瓷晶堆(24)并联连接。

3.根据权利要求2所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述级联式功率超声换能器(1)包括2~4组换能压电陶瓷晶堆;所述超声波变幅杆(2)包括

1~2组变幅压电陶瓷晶堆(24)。

4.根据权利要求3所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述换能压电陶瓷晶堆是由偶数个层叠设置的压电陶瓷晶片组成,变幅压电陶瓷晶堆(24)是由偶数个压电陶瓷晶片组成。

5.根据权利要求3所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述换能压电陶瓷晶堆的直径小于或等于金属连接体的直径。

6.根据权利要求2所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述振动输出杆(22)和振动输入杆(21)均为变截面金属杆或等截面金属杆。

7.根据权利要求3所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述级联式功率超声换能器(1)包括第一换能压电陶瓷晶堆(12)和第二换能压电陶瓷晶堆(14),该级联式功率超声换能器(1)是由依次连接的第一金属体(11)、第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二金属体(13)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及第三金属体(15)组成;

所述超声波变幅杆(2)包括组变幅压电陶瓷晶堆(24),该超声波变幅杆(2)是由依次连接的振动输入杆(21)、变幅压电陶瓷晶堆(24)和振动输出杆(22)组成;所述振动输出杆(22)为变截面金属杆,所述第一金属体(11)、第二金属体(13)、第三金属体(15)以及振动输入杆(21)均为等截面金属体。

8.根据权利要求7所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述级联式功率超声换能器(1)的输入电阻抗解析表达式如下:其中,

Zf=ZP12+Z21+Rm;Zb=ZP21+Z22+Rm,

Z51=-jZ5[(S52/S51)1/2-1]/(k5l5)-jZ5cot(k5l5)+jZ5(S52/S51)1/2/[sin(k5l5)]Z52=-jZ6[(S51/S52)1/2-1]/(k5l5)-jZ6cot(k5l5)+jZ5(S52/S51)1/2/[sin(k5l5)]Z53=-jZ5(S52/S51)1/2/[sin(k5l5)],ZP11=ZP12=jZ01tan(p1k0L01/2),ZP21=ZP22=jZ02tan(p2k0L02/2), ZP31=ZP32=jZ03tan(p3k03L03/2),

在上述公式中,

Z1=ρ1c1S1,k1=ω/c1,c1=(E1/ρ1)1/2, Z2=ρ2c2S2,k2=ω/c2,c2=(E2/ρ2)1/2,Z3=ρ3c3S3,k3=ω/c3,c3=(E3/ρ3)1/2, Z4=ρ4c4S4,k4=ω/c4,c4=(E4/ρ4)1/2, Z5=ρ5c5S51,Z6=ρ5c5S52, k5=ω/c5,c5=(E5/ρ5)1/2,Z01=ρ0c0S01,Z02=ρ0c0S02,Z03=ρ0c0S03,k0=ω/c0, ρ1,E1,ρ2,E2,ρ3,E3分别为第一金属体(11)、第二金属体(13)、第三金属体(15)的密度和杨氏模量,kg/m3,N/m2;

ρ4,E4,ρ5,E5分别是振动输入杆(21)和振动输出杆(22)对应的密度和杨氏模量,kg/m3,N/m2;

是第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及变幅压电陶瓷

3 2

晶堆(24)的密度和弹性柔顺系数,kg/m ,m/N;

c1,c2,c3,c4,c5和c0表示第一金属体(11)、第二金属体(13)、第三金属体(15)、振动输入杆(21)、振动输出杆(22)以及压电陶瓷晶堆的纵振动传播速度,m/s;

L1,L2,L3,L4,L5是第一金属体(11)、第二金属体(13)、第三金属体(15)、振动输入杆(21)、振动输出杆(22)的长度,m;

L01,L02,L03分别表示第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及变幅压电陶瓷晶堆(24)中的压电陶瓷晶片厚度,m;

P1,P2,P3分别表示压电陶瓷晶堆中压电陶瓷晶片的数目;

R1,R2,R3,R4,R51,R52分别表示第一金属体(11)、第二金属体(13)、第三金属体(15)、振动输入杆(21)、振动输出杆(22)的输入端、振动输出杆(22)的输出端的半径,m;

R01,R02,R03分别表示第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及变幅压电陶瓷晶堆(24)的半径,m;

Re1,Re2,Re3分别表示第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及变幅压电陶瓷晶堆(24)的介电损耗电阻,Ω;

Rm表示接触面处的机械损耗阻抗,N·S/m。

9.根据权利要求7所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述级联式功率超声换能器(1)是由依次连接的第一金属体(11)、第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二金属体(13)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及第三金属体(15)通过预应力螺栓连接组成;

所述超声波变幅杆2是由依次连接的振动输入杆(21)、变幅压电陶瓷晶堆(24)和振动输出杆(22)通过预应力螺栓连接组成。

10.根据权利要求9所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统,其特征在于,所述第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及变幅压电陶瓷晶堆(24)均是采用PZT-4或PZT-8晶片组合而成。