声阻抗主动匹配的超声振动方法及超声振动系统技术方案

本发明专利技术提供了一种声阻抗主动匹配的超声振动方法及具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，涉及超声技术领域，通过将负载阻抗转换成适合于级联式功率超声换能器的最佳匹配阻抗，实现超声振动系统的声阻抗主动匹配；功率超声振动系统具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统、级联式功率超声换能器和具有声阻抗主动匹配功能的超声波变幅杆；能够主动改变超声波振动系统辐射声阻抗，系统功率大、强度高并具有声阻抗主动匹配功能。

【技术实现步骤摘要】
声阻抗主动匹配的超声振动方法及超声振动系统
本专利技术属于超声振动
，特别涉及一种大功率、高强度的声阻抗主动匹配的超声振动方法及超声振动系统。
技术介绍
功率超声技术在超声清洗、超声波焊接以及超声波加工等工业技术中获得了广泛的应用。其中功率超声振动系统是整个超声设备的关键部分。传统的功率超声振动系统主要由夹心式压电陶瓷换能器、超声波变幅杆2以及工具头等组成，如图1所示。其中超声波换能器的功能是把电能转变成超声频的机械振动能。超声波变幅杆2的作用是把超声换能器产生的机械振动进行位移和转动速度的放大，并把经过放大以后的机械振动传输给振动系统的负载介质；同时超声变幅杆还具有阻抗变换的作用，将变幅杆输出端的负载阻抗变换成换能器的负载阻抗。对于图1所述的传统的超声波振动系统，当超声波换能器和变幅杆的理论设计以及机械加工和安装完成以后，对应于一定的机械负载阻抗，超声波振动系统的各种性能参数，包括振动系统的共振频率、有效机电耦合系数和电声效率等等，就随之确定，不能进行改变和调整。因此，传统的超声波振动系统存在以下需要克服的问题：1、针对一定的负载介质，它反应在超声波振动系统上的负载阻抗是一定的，而这一负载阻抗可能不是超声波换能器的最佳匹配阻抗，因此换能器的电声效率会比较低，这就会严重影响换能器的性能和寿命，因而影响超声波的作用效果。2、对于不同的换能器负载介质，它反应在超声波振动系统上的负载阻抗也是不同的，从而导致换能器的各种性能参数会发生变化，不能实现超声波振动系统的最佳工作状态。
技术实现思路
为了克服现有超声振动系统所存在的不足，本专利技术提供了一种能够主动改变超声波振动系统辐射声阻抗的新型大功率、高强度的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统。同时，本专利技术提供了一种通过上述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统实现的振动方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种声阻抗主动匹配的超声振动方法，其是由以下步骤组成：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。可以实现上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。进一步限定，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。进一步限定，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。进一步限定，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。进一步限定，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。进一步限定，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1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。进一步限定，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，Zs1＝ZP13+Zn1；Zs2＝ZP23+Zn2Zf＝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；ρ0,是第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24的密度和弹性柔顺系数，kg/m3,m2/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。进一步限定，所述级联式功率超声换能器1是由本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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(k5...

【专利技术属性】
技术研发人员：林书玉，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61