Page 6 - 《应用声学》2023年第4期
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参数来实现同频共振，但因功率容量有限、制作工艺
0 引言
复杂、极化困难等缺点使其在工程应用方面受到了
一维纵向超声振动加工技术的提出为碳纤维、 极大的限制；二是在纵向振动的变幅杆上开斜槽或
工程陶瓷、复合材料等硬脆、难加工材料的加工提 者螺旋槽来实现模式转换型纵 -扭复合振动。斜槽
供了有效的解决方案 [1−3] ，可以在一定程度上提高 结构的主要弊端是能量转换率低，从而导致系统扭
加工质量，但是由于其振动模式过于单一，常常导致 转分量过小，难以满足加工所需振幅；而螺旋槽结构
加工的效率低下且精度较低，相比之下，能够综合纵 的主要弊端是结构复杂，影响振动输出的结构参数
向振动和扭转振动优势的纵 -扭复合振动因其较高 过多，从而导致无法准确控制输出参数，模型建立较
的加工精度和可靠性而备受青睐 [4−7] 。 为困难 [17−19] 。因此，从结构上对模式转换型纵 -扭
文献 [8] 从纵振动和扭转振动的波动方程出发， 复合振动进行优化，成为亟需解决的关键问题。基
结合纵振动和扭转振动的等效网络，以一维声传输 于此，论文设计了一种新型的模式转换型纵-扭复合
线理论为基础，推导出了复合振动换能器所满足的 超声振动系统，该系统可以克服斜槽和螺旋槽结构
纵振动和扭转振动共振频率方程；文献 [9] 利用指 的缺点，为进一步促进模式转换型纵-扭复合模态超
数型前盖板、切向及轴向极化的两组压电陶瓷晶堆 声振动系统的发展提供理论和技术支持。
设计了纵向和扭转振动模式同频共振的换能器；文
献 [10] 对斜槽式纵 -扭复合振动模式压电超声换能 1 基于斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模
器进行了理论及实验研究，推导出换能器的机电等 态超声振动系统的设计
效电路，并研究了斜槽的倾角对换能器的谐振频率
根据换能器和变幅杆的设计理论，初始设计谐
的影响规律；文献 [11] 利用螺旋槽实现纵振动与扭
振频率为 15 kHz 的全波长结构的斜槽型超声振动
转振动的转化，设计了基于螺旋槽结构的纵-扭复合
模式换能器；文献 [12] 利用在指数型变截面杆上加 系统，其中换能器选择纵振夹心式压电陶瓷换能器，
工的螺旋槽实现纵振动向扭转振动的转化，并分析 半波长结构，变幅杆选择圆锥和圆柱型复合变幅杆，
了螺旋槽结构参数对系统的影响规律，找到了最佳 半波长结构。夹心式纵向振动压电陶瓷换能器由压
的螺旋槽参数；文献 [13] 利用在喇叭形变幅杆上设 电陶瓷晶堆、前盖板和后盖板3 部分组成，各组成部
计的 4 条均匀斜缝，实现了斜缝式纵 -扭超声振动系 分的材料属性如表1所示。
统，并分析了斜缝的结构参数对纵-扭共振频率和振 在仿真软件中建立系统的模型并初步确定各
幅的影响规律；文献[14]利用非对称的孔实现纵-扭 部分的尺寸，结果如图 1 所示，其中，斜槽的长
复合振动，从而研制出一种新型孔式模态转换型超 度为 10 mm，宽度为 2 mm，深度为 3 mm，倾斜
◦
声电机；文献 [15] 利用 4 个均匀倾斜的凹槽，实现了 角度为10 。
纵振动向纵-扭复合振动的转化，研制出用于拉丝的 利用有限元仿真软件，对基于斜槽结构的模式
纵-扭复合超声换能器；文献[16]利用在复合变幅杆 转换型纵-扭复合超声振动系统进行仿真分析，从仿
上加工的梳状扇形孔和斜槽实现了纵振动向纵 -扭 真结果图2可以看出，在斜槽的作用下，当系统的特
复合振动的转换，设计出扭转分量大的纵-扭复合超 征频率为12569 Hz、16265 Hz、22793 Hz时，超声振
声振动系统。 动系统以扭振为主。以二阶扭振16265 Hz为例进行
分析以上研究成果可以发现，目前，实现纵 -扭 研究，由图 3 能够看出，该时刻，基于斜槽结构的模
复合振动的实现主要有两种方法：一是利用纵向和 式转换型纵 -扭复合超声振动系统正在沿顺时针方
切向极化的陶瓷元件，通过调整超声变幅杆的结构 向扭转(图3中的红色箭头为位移方向)。
表 1 斜槽型纵 -扭复合超声振动系统各组成部分的材料属性
Table 1 Material properties of components of inclined slot longitudinal
torsional composite ultrasonic vibration system
组成部件 压电陶瓷 前盖板 后盖板 变幅杆
材料 PZT-4 Aluminum 6063-T83 Aluminum 6063-T83 Aluminum 6063-T83
