一种大功率超声振动子的实验研究

　　1 引言

　　近年来超声波技术已进入大规模工业应用阶段。人们根据需要在郎之万(P1Lange-vin)基本振动子的基础上研制出各种各样的超声振动子。本文讨论的聚能型振动子就属于其中一类。它们的结构主要有:阶梯型、指数型、双曲线型、高斯型等。它们的参数表达式国内外不少文章和著作[1]都有详细论述。本文所介绍的振动子属于全波长结构,其聚能部分采用指数型和双曲线型复合而成。实验证明这种结构设计更趋合理,并有良好的使用效果。

　　2 结构

　　基本结构如图1所示。1:第1前盖、2:第2前盖、3:压电陶瓷片(4片)、4:第2后盖、5:第1后盖。l1及l6为同型号钢材料,l3+l2和l5为同型号铝材料。

　　3 位移应变和频率方程

　　由图1所示,先考虑第1节面左面,共4段。由于它们的截面积相等,它们的波动方程是相同的,设为:

　　方程中Sn为第n段位移,kn为波数,(Sn/xn)为应变。其通解为:

　　利用边界条件和坐标原点依次移动法[2],使用边界条件可以求出Sn及Sn/xn中的8个待定系数,同时可导出这4段(1/4波长)的频率方程,如下式所示:

　　用同样的方法和边界条件可求得如图2所示的聚能部分[3]各段位移及应变表达式中4个待定系数(推导略)。其频率方程为:

　　(4)、(5)式是整个振动子的设计依据。设计时可根据已知条件代入上述两式,求出对应各段长度;同时代入Sn和Sn/5xn并将xn作微小步距变化,求出Sn和Sn/xn曲线。对应各段的位移、应变、节面、放大系数及应变极大位置全部一目了然。

　　4 改进

　　4.1 结构改进

　　(1)l6采用标准圆柱体取代传统设计中的六角螺母。由于标准圆柱体可以直接参与波动方程运算,可以得到准确的运算结果。装配成功的振动子不需要通过磨第1后盖来校正共振频率。

　　(2)l5和l2+l3采用硬铝材料,它们分别位于l6和压电陶瓷组件以及l1和组件之间,起着阻抗匹配作用。组装的振动子第1后盖不发烫。

　　(3)在固定于应力螺杆的绝缘套和压电陶瓷片之间保持4mm左右的空气隙,从而可以有效地衰减横向振动。

　　(4)在菱形电极片的焊点孔附近,两片之间粘接一小块耐高温泡沫塑料以便衰减电极片的振动。

　　(5)在第2节面与机架之间采用软木圆垫片减振以便减小固定支架对振动子的影响。

　　4.2 工艺改进

　　革除传统装配工艺中的工件接触面打毛粘接法,采用加工时尽量保持较高光洁度进行直接粘接。这样可减少粘接层厚度,减少层间传播损失。实际工件尺寸更接近设计值。