[发明专利]一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器及其设计方法

权利要求书

1.一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器，其特征在于，包括Kresling构型单元、输入杆和输出杆,所述输入杆和输出杆均为等径圆杆，输入杆和输出杆的截面半径相同；所述的Kresling构型单元的上、下底面均是正n多边形，其侧面由2n个三角形组成；所述Kresling构型单元的一个底面与输入杆的端面相连，另一个底面与输出杆的端面相连，且输入杆与输出杆的轴线重合；所述Kresling构型单元底面的外接圆半径与输入杆和输出杆端面的外接圆半径相等。

2.根据权利要求1所述的Kresling构型启发的纵波扭转波换能器，其特征在于，输入杆和输出杆的长度与Kresling构型单元底面外接圆半径的比应小于20。

3.一种权利要求1所述的纵波扭转波换能器的设计方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定工作频率及设计需求，所述设计需求指换能器设计为纯扭振动或纵-扭组合振动；

(2)确定连接在Kresling构型单元两端的输入杆和输出杆的尺寸；

(3)取Kresling构成单元上、下底面的外接圆半径与输入杆和输出杆杆截面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元的初始高度与其上、下底面的外接圆半径相等，取Kresling构成单元初始的扭转角度为60度；

(4)通过有限元软件计算步骤(3)初始情况下的纵向振动、扭转振动及纵-扭振动比随频率的变化情况；

(5)根据实际设计需求，选择符合设计需求的换能器频率；当设计需求为纯扭振动，则选择扭转振动及纵-扭振动比大的频率，当设计需求为纵-扭组合振动，则选择纵向振动及扭转振动大，纵-扭振动比为零的频率；

(6)比较步骤(5)选择的换能器频率与实际的工作频率，若换能器频率与工作频率相符，则完成设计；如换能器频率不符合工作频率，则修改换能器的设计参数，并重复步骤(4)和(5)，直至选择的换能器频率符合工作频率。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体为：当设计需求为纯扭振动，则选择扭转振动及纵-扭振动比大于20分贝的频率，当设计需求为纵-扭组合振动，则选择纵向振动及扭转振动大于20分贝，纵-扭振动比为零的频率。

5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，步骤(6)中，所述的修改换能器的设计参数具体为：

当选择的换能器频率高于工作频率时，则首先增加Kresling构型单元的高度并重复步骤(4)和(5)，如高度增加到调整上限仍无法满足要求，则进一步减小Kresling构型单元的扭转角度并重复步骤(4)和(5)，如扭转角度达到调整下限仍无法满足要求，则改变Kresling折纸换能器的材料为杨氏模量更小的材料并重复步骤(4)和(5)；

当选择的频率低于工作频率时，则首先减少Kresling构型单元的高度并重复步骤(4)和(5)，如高度减少到调整下限仍无法满足要求，则进一步增大Kresling构型单元的扭转角度并重复步骤(4)和(5)，如扭转角度达到调整上限仍无法满足要求，则改变Kresling折纸换能器的材料为杨氏模量更大的材料。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述Kresling构型单元的高度不超过底面外接圆半径的两倍，不小于底面外接圆半径的一半。

7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述Kresling构型单元的扭转角度调整范围为30-90度。