径扭复合模式盘形压电超声换能器

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1、第45卷第6期机械工程学报v01．45NO．62009年6月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJun．2009DoI：lO．3901／ⅥE．2009．06．176径扭复合模式盘形压电超声换能器木刘世清姚晔2林书玉(1．浙江师范大学数理与信息工程学院金华321004；2．上海交通大学机械与动力工程学院上海200240；3．陕西师范大学应用声学研究所西安710062)摘要：提出一种新型的斜缝式结构径扭复合模式振动盘形压电超声换能器，并对其径扭复合模式振动进行了理论和试验研究。通过对斜槽处应力的分解，引入两

2、个机械转换系数，依据机电类比原理，建立起换能器的径扭复合模式振动耦合机电等效电路模型，从等效电路得到换能器的径扭复合振动频率方程，探讨狭缝的斜角对换能器共振频率的影响，数值计算表明换能器共振频率随斜角增大而降低。试验加工三个不同斜度狭缝的换能器，并对其共振频率进行了测试和有限元法模态仿真计算，结果表明，理论与仿真值及试验结果吻合较好。关键词：径扭复合振动压电换能器耦合等效电路频率方程中图分类号：0426．1Radial--torsionalVibrationModeofDisc--typePiezoelectricTransd

3、ucerLIUShiqingYAOYeLINShuyu3(1．CollegeofMathematics，Physics＆InformationEngineering，ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004；2．SchoolofMechanicalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240；3．AppliedAcousticsInstitute，ShaanxiNormalUniversity,Xi’all710062)Abstra

4、ct：Anewkindofradial—torsionalcompositemodeultrasonictransducerwithmultipleslantingslotsispresentedandstudied．Twomechanicalconversioncoeficientsareintroducedbyresolvingthestressatchutes．Basedontheelectromechanicalanalogy,thecoupledeqmvalemcircmtmodelofthevibrationsys

5、temissetupandthefrequencyequationisderived．Theefectoftheobliqueangleoftheslotsontheresonancefrequencyofthetransducerisanalyzed．Itisconcludedthattheresonancefrequencydecreaseswimtheincreaseofobliqueangle．Furthermore．theresonancefrequenciesofthreetransducerswithdifere

6、ntobliqueangleofslotsaremeasuredandsimulatedbyusingfiniteelementmethod．Experimentalmsultsshowthatthemeasuredfrequenciesofthetransducersareingoodagreementwiththetheoryandsimulationresults．Keywords：Radial—torsionalvibrationmodePiezoelectrictransducerCoupledequivalentc

7、ircuitFrequencyequation式超声换能器等【4】。应用中产生复合振动模式的方0前言法主要有两种，一种是通过分别激励两组极化方式不同的压电晶片分别产生相应的振动耦合实现，优复合振动模式超声换能器以其独特的优点，在点是可控性强，但要实现两种振动模式的简并，其超声振动切削、超声波电动机、超声焊接以及超声结构设计比较复杂，且需要两相电激励源；另一种手术刀等技术领域应用越来越广[卜引。目前，国内外是通过对系统结构进行特殊设计，如开槽或狭缝等研究较多的主要是纵扭复合振动、纵弯复合振动模方法实现振动模式的转换来产生，优点是

8、容易实现振动模式的简并，结构更简单，且可利用单相电源激励，使其在工程技术领域的应用越来越受到重视，·国家自然科学基金(50708057)和浙江省自然科学基金(Y606238)资助项目。20080625收到初稿，20081119收到修改稿如椭圆超声振动切削等。复合振动系统实质是