[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

说明书

本发明公开了一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器及其设计方法。其包括Kresling构型单元、输入杆和输出杆；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。本发明的换能器加工制造简单、安装更换方便，成本低廉、工作频率可以按需设计。本发明进一步提出了其设计方法，通过本发明方法可以获得所需工作频率的换能器，满足纯扭振动或纵‑扭组合振动的需求。

技术领域

本发明属于换能器设计领域，具体设计一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器及其设计方法。

背景技术

组合纵向-扭转振动和纯扭转振动在工程技术领域，特别是超声焊接，超声钻孔，超声抛光等领域有十分广泛的应用。通常而言，纵向振动比较容易形成，但是扭转振动难以形成。

目前工程技术人员已经提出多种技术和结构来实现组合的纵向-扭转振动，常见技术包括：1)通过分别利用可以产生纵向振动的压电片和剪切振动的压电片进行组合，通过合理的尺寸设计实现组合的纵向-扭转振动；2)通过在杆的表面设计螺旋型窄缝，将纵向振动转换为组合的纵向-扭转振动。

然而，针对现有的技术1)，需要单独的剪切振动压电片，一般而言，剪切压电片成本高于纵向振动压电片，而且，由于结构扭转振动模态与纵向振动模态的频率存在差异，结构需要经过特殊的设计才可以。针对技术2)，在杆的表面设计螺旋形窄缝需要破坏结构，加工制造麻烦，而且一旦加工完成，便不可再进行修改。因此，设计一款加工制造简单、替换方便的纵波扭转波换能器十分有必要。

发明内容

针对现有纵波-扭转波换能器产品加工工艺复杂，加工成本高昂，工作频率难以调节，难以适应不同工况场合，本发明提供了一种基于构型启发的加工制造简单、安装更换方便，成本低廉、工作频率可以按需设计的纵波-扭转波换能器。不同于传统的纵波-扭转波换能器方案(在杆上开槽，需要借助机床等设备)，本发明提出的纵波-扭转波换能器可以通过3D打印加工，并直接安装到对应设备上。

本发明的技术方案是：

本发明首先提供了一种Kresling构型启发的纵波扭转波换能器，其包括Kresling构型单元、输入杆和输出杆；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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，通过设计Kresling构型单元的几何尺寸，可以改变产品工作频率，以适应不同的工况需求。

优选的，本发明提出的纵波-扭转波换能器可以通过3D打印进行加工制造，不需要复杂的工艺。

另一方面，本发明提供了一种上述的纵波扭转波换能器的设计方法，其包括如下步骤：

(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；