Page 68 - 《应用声学》2025年第1期
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的设计，优点是加工方式简单可靠。为了使纵 -扭复
0 引言
合振动压电超声换能器的输出端平均扭转量更大，
纵 -扭比更高，且利于工程实际和加工工艺简单，本
在超声系统中，纵 -扭复合振动模式换能器被
文设计了双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器，
广泛运用，如超声波焊接、超声波加工和超声电机
给出其等效电路和频率方程，并利用有限元软件分
等 [1−8] ，因此，纵 -扭复合振动压电超声换能器是一
析了其阻抗特性，比较了单排和双排斜槽纵-扭复合
个备受关注的研究课题。纵 -扭复合振动压电超声
振动压电超声换能器输出端平均扭转量的大小，研
换能器的设计模型有很多，大致分为两大类，其一是
究了斜槽的排数和双排斜槽的角度、间距、长度、宽
用纵向极化晶堆与切向极化晶堆组合产生纵 -扭复
度、深度、传振杆周向刻槽数量等几何形状对纵 -扭
合振动 [9] ，此类设计理论已基本成熟，但是由于切
复合振动压电超声换能器共振频率和输出端平均
向极化压电晶片的制作工艺复杂，当尺寸较大时，会
扭转量的影响。
出现许多问题，例如电击穿和极化不完全等；其二是
通过振动模式的转换产生纵-扭复合振动 [10−15] ，此
1 双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器
类设计模型有许多种，例如将传振杆设计为螺旋线
的结构和等效电路图
形或麻花形 [16−17] ，但其理论计算和结构复杂，制造
麻烦，受限于加工精度，其良品率得不到保障，加工 超声换能器可以有两种设计方法，一种是将整
成本也很高，不利于一般工程的设计使用。如何既 个振动系统设计成一个半波长结构，其中第一部
增大换能器输出端平均扭转量，提升纵 -扭比，又减 分为 1/4 波长换能器，第二部分为 1/4 波长传振杆；
小加工难度，控制加工成本，成为纵 -扭复合振动压 另一种方法是将第一部分及第二部分分别设计成
电超声换能器主要的研究方向 [18−24] 。 半波长结构。本文采用第一种设计方法，双排斜槽
Tsujino 等 [25] 和 Lin 等 [26] 已经证明单排斜槽 纵 -扭复合振动压电超声换能器的结构简图如图 1
换能器可实现纵 -扭复合振动，其被用于超声马达 所示。
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图 1 双排斜槽纵 -扭复合振动压电超声换能器结构简图
Fig. 1 The schematic of the longitudinal-torsional compound transducer with double-row chutes
其由两部分构成。第一部分是纵向振动夹心式 圆周方向均匀分布，可参见后文图12(b)。当第一部
压电超声换能器，其由后盖板、压电陶瓷电极片和 分的纵向振动换能器被激励后，产生的纵向振动随
前盖板组成，三个部分通过内部螺栓固定，在后文的 着换能器的前盖板传输到刻有双排斜槽的空心圆
等效电路中忽略螺栓的作用，由于绝缘和固定的需 柱传振杆上，此时，在换能器输出端，会产生纵 - 扭
要，压电陶瓷电极片为环形，其中 R 0 为压电陶瓷电 复合振动模式。显然，双排斜槽的几何尺寸、形状
极片的内半径，压电陶瓷电极片的外半径和前、后 以及倾角将会对整个换能器系统产生影响。为了简
盖板的半径为 R 2 。第二部分是空心圆柱传振杆，沿 化分析，假定斜槽是一理想几何线段且宽度无限小，
其纵向轴方向刻有两排斜槽，每排有4 个斜槽，沿其 斜槽的出现，对整个传振杆的质量没有影响，其作
