圆锥形超磁致伸缩换能器变幅杆的设计

　　超磁致伸缩材料(Terfenol)作为一种新型高科技功能材料,由于具有超大磁致伸缩应变幅度、较大的磁致伸缩力以及纳秒级的反应速度等一系列显著优点,在各类换能器中具有非常广阔的应用前景[1～4]。磁致伸缩换能器在实际应用中,磁致伸缩材料直接输出的位移(或速度)幅度不能满足实际要求,一般都需要振幅放大。在较低的频率范围内,可以通过增加磁致伸缩棒长度,使其在一定的应变值下,末端获得较大的位移幅度;但在大部分的高频应用中,由于纵振磁致伸缩棒波节的存在,末端位移幅度的提高非常有限,加大输入的电功率,在某种程度上可以提高磁致伸缩棒输出表面振幅的绝对值,但引起的激励磁场线圈和磁致伸缩材料发热,使换能系统效率大大降低;对于超声换能器,增加前端振动幅度的同时也使后端振动幅度以同样倍数增大,即不能加大前、后端的振速比,这一部分能量不能用于超声加工,被无谓浪费;在20kHz以上高频下加大输出功率,对电源性能也提出了很高要求。

　　为满足实际要求和提高功效,增大动态磁致伸缩振动幅度的最有效办法就是在磁致伸缩棒末端连接一级或二级变幅杆。在高频范围,变幅杆更能显示其优越性,目前所有的超声换能器都采用变幅杆放大振幅[5,6]。大多数的传统换能器中致动元件(推动级)为压电陶瓷、铁氧体、镍片等材料,超磁致伸缩材料Terfenol-D研制成功以来,逐渐替代了原有材料,成为换能器中致动元件,结构设计基本保持不变。为使致动元件末端输出的振动幅度最大,且元件长度较短,一般采用半波型致动元件。变幅杆的主要设计参数是指振速分布、应力分布、振幅放大系数以及节面位置等。本文主要对圆锥形变幅杆进行力学分析和讨论,导出了相应的频率方程,着重设计计算了振速与应力分布、节面位置等参数为实际产品设计和制造提供了理论基础和参照标准。

　　1　变截面杆基本纵振方程

　　在变幅杆设计中,振幅放大特指变幅杆前、后端面的振速放大,因为这样同时考虑了振动幅度和频率。尤其对于低频换能器,末端输出的位移幅度比较大,而振速却非常低,类似振动音叉,所以除非在提出位移幅度的同时还注明工作频率,否则换能器的位移幅度是不重要的。变幅杆设计的一个主要目的就是与致动元件阻抗匹配——即在激励频率条件下,变幅杆输入端面的阻抗等于致动元件输出端面阻抗,从力学角度分析,就是变幅杆共振频率等于激励频率;使致动元件输出端面在接入变幅杆后不致改变原有工作状态,即在两者连接端面上振速v(0)应与致动元件未装变幅杆前谐振时的输出端面速度的振幅值vf相等,并且及其导数应满足v′(0)=0。根据阻抗定义,实际要求致动元件输出阻抗与变幅杆输入阻抗都为零。在实际的应用中,变幅杆的输出端面是有负载的(v′(l)≠0) ,而输出端阻抗的计算很复杂,与加工工具,被加工物的尺寸、材料有关。即使在设计阶段对输出端阻抗尽量测量和估算,也往往产生较大误差或失配。所以在实际的工程应用中,是先按照变幅杆无负载情况进行计算、设计,然后根据实践经验,做适当调整,直至试验结果满足要求。