Page 9 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 林基艳等： 新型柱孔式模式转换型纵 -扭复合模态超声振动系统 671

的圆柱部分也保持不变)，通过在复合变幅杆的圆锥 刚度的弹簧 [20] ，复合变幅杆在 5 个起剪切和弯曲作
部分，加工 6 个半径为 r z 、高度为 h z 、平行于 z 轴的 用的扇形片以及斜槽的作用下，绕z 轴旋转，即扇形
空气圆柱孔，以及 5 个围绕中心圆柱体 (图 5 中半径 片和斜槽共同为新型柱孔式纵 -扭转换复合变幅杆
为 r y 的圆柱体) 的高度为 h y 、扇形角为 θ 的周期性 的扭转振动提供助力，因此，新型柱孔式纵 -扭转换
分布的扇形孔形成新型柱孔式纵 -扭转换复合变幅
复合变幅杆能够更好地起到增大系统扭转分量的
杆，优化后的新型柱孔式纵-扭转换复合变幅杆各部
作用。
分的结构如图5所示。
为了验证结论的准确性，在仿真软件中构造了
6 个轴向圆柱孔的引入，改变了系统的弹性及
系统的模型，如图 6 所示。在本模型中，设置 h z 为
质量，可以使系统获得较低的共振频率，当换能器产
生的振动传递到新型柱孔式纵 -扭转换复合变幅杆 23 mm，r z 为2 mm，r y 为6 mm，为了保持部件的机
上时，扇形片的剪切和弯曲变形降低了变幅杆的等 械强度，θ 不易过大 , 经仿真分析，本设计选择 θ 为
效模量，每个扇形片可以看作一个具有剪切和弯曲 4.5 。
◦

r y

θ
r z
r z
θ
h z r z
θ r z
r y
r z
r z θ
θ

图 5 新型柱孔式纵 -扭转换复合变幅杆的结构
Fig. 5 Structural diagram of a new cylindrical holes longitudinal torsional conversion composite horn

用下，当系统的特征频率为 11732 Hz、14500 Hz、
18582 Hz 时，超声振动系统以扭振为主。以二阶
扭振 14500 Hz 为例进行研究，利用仿真软件在新
x
型柱孔式纵 -扭复合模态超声振动系统的输出面上
z
选取与基于斜槽结构的系统、基于螺旋槽结构的
y
系统相同的弧线计算剪切应力和旋转角度，对 3 种
系统的纵 - 扭振动转化能力进行对比，计算结果如
图 8(a)∼8(b)所示。

从图 8 能够看出，引入新型柱孔式复合变幅杆
图 6 新型柱孔式纵 -扭复合模态超声振动系统的模型
的纵 -扭复合模态超声振动系统的剪切应力值的变
Fig. 6 Model of a new cylindrical holes longitudi-
2
7
7
2
化范围为 0.2301×10 N/m ∼ 0.9434×10 N/m ，
nal torsional composite mode ultrasonic vibration
最大剪切应力是基于螺旋槽结构系统的 3.1427 倍，
system
是基于斜槽结构系统的 3.5597 倍；平均剪切应力
对构建的新型柱孔式纵 -扭复合模态超声振 是基于螺旋槽结构系统的 4.0248 倍，是基于斜槽
动系统进行模态分析，结果如图 7 所示。从图 7 可 结构系统的 4.0770 倍。引入新型柱孔式复合变幅
以看出，在新型柱孔式纵 -扭转换复合变幅杆的作 杆的纵 -扭复合模态超声振动系统的旋转角度的值