可调频率纵向振动超声波振子的设计及试验研究

【摘要】：超声波振子是功率超声振动系统的核心元件,它是由换能器和变幅杆组成的。在功率超声应用中,超声波振子常常需要外接不同的负载,这会导致振子的谐振频率发生变化,使超声波振子无法正常高效工作。为了减少超声波振子外接负载时,振子谐振频率产生漂移的幅度,使用机电等效电路法和Comsol Multiphysics5.3有限元模拟仿真软件在传统纵向振动超声波振子的基础上,运用电负载调频理论,设计制造了一种可调频率纵向振动超声波振子。本文主要从以下三个方面展开研究。(1)利用解析法设计了谐振频率为35kHz的传统纵向振动超声波振子,并通过添加过渡圆弧来缓解阶梯形变幅杆应力集中问题,利用有限元分析法选取了阶梯形变幅杆的过渡圆弧半径,得到了过渡圆弧半径大小对变幅杆谐振频率的影响规律,发现对于同一根阶梯形变幅杆,变幅杆的谐振频率随过渡圆弧半径的增大而增大。然后通过谐响应分析,验证了超声波振子各部分设计尺寸和材料选择的合理性。(2)在传统超声波振子的基础上,通过机电等效电路法,结合有限元法,本文设计了一种纵向振动可调频率超声波振子,利用有限元仿真软件选取了调频晶堆位置,得到了调频晶堆位置对振子谐振频率的影响规律,发现当调频晶堆位于变幅杆大端内部时,随着调频晶堆位置逐渐远离变幅杆输入端端面,可调频率超声波振子的谐振频率逐渐升高。然后又根据理论计算结果,通过MATLAB对该振子的频率方程进行求解,绘制了外接调频电负载电抗与振子谐振频率的关系图,由关系图可知,理论上,在不考虑振子前后端面外接负载时,在一定范围内,超声波振子的谐振频率大致上随调频电负载电抗的增大而减小。(3)设计了两个试验分别探究振子前后端面都无外接负载的情况下,加入调频电感对超声波振子谐振频率的影响,以及在变幅杆前端面外接液体负载的情况下,对加入调频电感时和未加入调频电感时振子的谐振频率进行对比,探究当变幅杆前端面外接变化的液体负载时,调频电感对超声波振子的调频作用。试验结果表明:当振子前后端面无外接负载时,在35~40kHz的频率范围内,超声波振子的谐振频率,随电感的增大而减小;当变幅杆前端外接不同液体负载时,振子的谐振频率会受到不同程度的影响,接入相应的调频电感后,超声波振子的谐振频率会得到一定的补偿,可重新回归到原始设定的谐振频率值附近。试验验证了电负载调频理论的正确性和通过调节连接在调频晶堆处的调频电感对解决不同负载下超声波振子频率漂移问题的有效性。研究表明本文设计的可调频率纵向振动超声波振子具有良好的频率调节性能,可以在功率超声加工及空化试验中使用。