专利摘要
专利摘要
本发明提供了一种声阻抗主动匹配的超声振动方法及具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，涉及超声技术领域，通过将负载阻抗转换成适合于级联式功率超声换能器的最佳匹配阻抗，实现超声振动系统的声阻抗主动匹配；功率超声振动系统具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统、级联式功率超声换能器和具有声阻抗主动匹配功能的超声波变幅杆；能够主动改变超声波振动系统辐射声阻抗，系统功率大、强度高并具有声阻抗主动匹配功能。
权利要求
1.一种声阻抗主动匹配的超声振动方法，其特征在于由以下步骤组成：
向级联式功率超声换能器(1)施加激励电压，多组换能压电陶瓷晶堆被激励后同时产生轴向的机械振动，在末端连接的金属连接体上叠加并将叠加后的高强度超声振动作用于超声波变幅杆(2)的振动输入杆(21)上，之后轴向传输给振动输出杆(22)，通过振动输出杆(22)变换成适合的振动能量作用在负载介质上，同时，调整可变电阻抗(23)至合适阻抗，并利用变幅压电陶瓷晶堆(24)的机电转换性能将负载阻抗转换成适合于级联式功率超声换能器(1)的最佳匹配阻抗，实现超声振动系统的声阻抗主动匹配。
2.实现权利要求1所述方法的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于包括级联式功率超声换能器(1)和具有声阻抗主动匹配功能的超声波变幅杆(2)；
所述级联式功率超声换能器(1)由多组换能压电陶瓷晶堆和金属连接体组成，一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆之间通过金属连接体连接，一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆的引线并联连接在激励电源上；
所述超声波变幅杆(2)连接在级联式功率超声换能器(1)的振动输出端，所述超声波变幅杆(2)包括依次连接的振动输入杆(21)、变幅压电陶瓷晶堆(24)以及振动输出杆(22)和连接在变幅压电陶瓷晶堆(24)之间的可变电阻抗(23)；所述可变电阻抗(23)与变幅压电陶瓷晶堆(24)并联连接。
3.根据权利要求2所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述级联式功率超声换能器(1)包括2～4组换能压电陶瓷晶堆；所述超声波变幅杆(2)包括1～2组变幅压电陶瓷晶堆(24)。
4.根据权利要求3所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述换能压电陶瓷晶堆是由偶数个层叠设置的压电陶瓷晶片组成，变幅压电陶瓷晶堆(24)是由偶数个压电陶瓷晶片组成。
5.根据权利要求3所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述换能压电陶瓷晶堆的直径小于或等于金属连接体的直径。
6.根据权利要求2所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述振动输出杆(22)和振动输入杆(21)均为变截面金属杆或等截面金属杆。
7.根据权利要求3所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述级联式功率超声换能器(1)包括第一换能压电陶瓷晶堆(12)和第二换能压电陶瓷晶堆(14)，该级联式功率超声换能器(1)是由依次连接的第一金属体(11)、第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二金属体(13)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及第三金属体(15)组成；
所述超声波变幅杆(2)包括变幅压电陶瓷晶堆(24)，该超声波变幅杆(2)是由依次连接的振动输入杆(21)、变幅压电陶瓷晶堆(24)和振动输出杆(22)组成；所述振动输出杆(22)为变截面金属杆，所述第一金属体(11)、第二金属体(13)、第三金属体(15)以及振动输入杆(21)均为等截面金属体。
8.根据权利要求7所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述级联式功率超声换能器(1)的输入电阻抗解析表达式如下：
其中，
在上述公式中，
ρ
ρ
c
L
L
P
R
R
R
R
9.根据权利要求7所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述级联式功率超声换能器(1)是由依次连接的第一金属体(11)、第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二金属体(13)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及第三金属体(15)通过预应力螺栓连接组成；
所述超声波变幅杆(2)是由依次连接的振动输入杆(21)、变幅压电陶瓷晶堆(24)和振动输出杆(22)通过预应力螺栓连接组成。
10.根据权利要求9所述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其特征在于，所述第一换能压电陶瓷晶堆(12)、第二换能压电陶瓷晶堆(14)以及变幅压电陶瓷晶堆(24)均是采用PZT-4或PZT-8晶片组合而成。
说明书
技术领域
本发明属于超声振动技术领域，特别涉及一种大功率、高强度的声阻抗主动匹配的超声振动方法及超声振动系统。
背景技术
功率超声技术在超声清洗、超声波焊接以及超声波加工等工业技术中获得了广泛的应用。其中功率超声振动系统是整个超声设备的关键部分。传统的功率超声振动系统主要由夹心式压电陶瓷换能器、超声波变幅杆2以及工具头等组成，如图1所示。其中超声波换能器的功能是把电能转变成超声频的机械振动能。超声波变幅杆2的作用是把超声换能器产生的机械振动进行位移和转动速度的放大，并把经过放大以后的机械振动传输给振动系统的负载介质；同时超声变幅杆还具有阻抗变换的作用，将变幅杆输出端的负载阻抗变换成换能器的负载阻抗。
对于图1所述的传统的超声波振动系统，当超声波换能器和变幅杆的理论设计以及机械加工和安装完成以后，对应于一定的机械负载阻抗，超声波振动系统的各种性能参数，包括振动系统的共振频率、有效机电耦合系数和电声效率等等，就随之确定，不能进行改变和调整。因此，传统的超声波振动系统存在以下需要克服的问题：
1、针对一定的负载介质，它反应在超声波振动系统上的负载阻抗是一定的，而这一负载阻抗可能不是超声波换能器的最佳匹配阻抗，因此换能器的电声效率会比较低，这就会严重影响换能器的性能和寿命，因而影响超声波的作用效果。
2、对于不同的换能器负载介质，它反应在超声波振动系统上的负载阻抗也是不同的，从而导致换能器的各种性能参数会发生变化，不能实现超声波振动系统的最佳工作状态。
发明内容
为了克服现有超声振动系统所存在的不足，本发明提供了一种能够主动改变超声波振动系统辐射声阻抗的新型大功率、高强度的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统。
同时，本发明提供了一种通过上述的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统实现的振动方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种声阻抗主动匹配的超声振动方法，其是由以下步骤组成：
向级联式功率超声换能器1施加激励电压，多组换能压电陶瓷晶堆被激励后同时产生轴向的机械振动，在末端连接的金属连接体上叠加并将叠加后的高强度超声振动作用于超声波变幅杆2的振动输入杆21上，之后轴向传输给振动输出杆22，通过振动输出杆22变换成适合的振动能量作用在负载介质上，同时，调整可变电阻抗23至合适阻抗，并利用变幅压电陶瓷晶堆24的机电转换性能将负载阻抗转换成适合于级联式功率超声换能器1的最佳匹配阻抗，实现超声振动系统的声阻抗主动匹配。
可以实现上述方法的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，其包括级联式功率超声换能器1和具有声阻抗主动匹配功能的超声波变幅杆2；
所述级联式功率超声换能器1由多组换能压电陶瓷晶堆和金属连接体组成，一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆之间通过金属连接体连接，一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆的引线并联连接在激励电源上；
所述超声波变幅杆2连接在级联式功率超声换能器1的振动输出端，所述超声波变幅杆2包括依次连接的振动输入杆21、变幅压电陶瓷晶堆24以及振动输出杆22和连接在变幅压电陶瓷晶堆24之间的可变电阻抗23；所述可变电阻抗23与变幅压电陶瓷晶堆24并联连接。
进一步限定，所述级联式功率超声换能器1包括2～4组换能压电陶瓷晶堆；所述超声波变幅杆2包括1～2组变幅压电陶瓷晶堆24。
进一步限定，所述换能压电陶瓷晶堆是由偶数个层叠设置的压电陶瓷晶片组成，变幅压电陶瓷晶堆24是由偶数个压电陶瓷晶片组成。
进一步限定，所述换能压电陶瓷晶堆的直径小于或等于金属连接体的直径。
进一步限定，所述振动输出杆22和振动输入杆21均为变截面金属杆或等截面金属杆。
进一步限定，所述级联式功率超声换能器1包括第一换能压电陶瓷晶堆12和第二换能压电陶瓷晶堆14，该级联式功率超声换能器1是由依次连接的第一金属体11、第一换能压电陶瓷晶堆12、第二金属体13、第二换能压电陶瓷晶堆14以及第三金属体15组成；
所述超声波变幅杆2包括1组变幅压电陶瓷晶堆24，该超声波变幅杆2是由依次连接的振动输入杆21、变幅压电陶瓷晶堆24和振动输出杆22组成；所述振动输出杆22为变截面金属杆，所述第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15以及振动输入杆21均为等截面金属体。
进一步限定，所述级联式功率超声换能器1的输入电阻抗解析表达式如下：
其中， Zs1＝ZP13+Zn1；Zs2＝ZP23+Zn2 Zf＝ZP12+Z21+Rm；Zb＝ZP21+Z22+Rm， Z51＝-jZ5[(S52/S51)
在上述公式中， Z1＝ρ1c1S1，k1＝ω/c1，c1＝(E1/ρ1)
ρ4,E4，ρ5,E5分别是振动输入杆21和振动输出杆22对应的密度和杨氏模量，kg/m
ρ0, 是第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24的密度和弹性柔顺系数，kg/m
c1,c2,c3，c4，c5和c0表示第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15、振动输入杆21、振动输出杆22以及压电陶瓷晶堆的纵振动传播速度，m/s；
L1,L2，L3，L4，L5是第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15、振动输入杆21、振动输出杆22的长度，m；
L01，L02，L03分别表示第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24中的压电陶瓷晶片厚度，m；
P1，P2，P3分别表示压电陶瓷晶堆中压电陶瓷晶片的数目；
R1,R2,R3,R4,R51,R52分别表示第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15、振动输入杆21、振动输出杆22的输入端、振动输出杆22的输出端的半径，m；
R01，R02,R03分别表示第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24的半径，m；
Re1,Re2，Re3分别表示第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24的介电损耗电阻，Ω；
Rm表示接触面处的机械损耗阻抗，N·S/m。
进一步限定，所述级联式功率超声换能器1是由依次连接的第一金属体11、第一换能压电陶瓷晶堆12、第二金属体13、第二换能压电陶瓷晶堆14以及第三金属体15通过预应力螺栓连接组成；
所述超声波变幅杆2是由依次连接的振动输入杆21、变幅压电陶瓷晶堆24和振动输出杆22通过预应力螺栓连接组成。
进一步限定，所述第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24均是采用PZT-4或PZT-8晶片组合而成。
本发明的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，主要是由超声波变幅杆2和用于实现机电性能转换和调节的压电陶瓷晶堆以及可变电阻抗23组成，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)级联式大功率高强度功率超声换能器是由多组压电陶瓷晶堆组成，压电陶瓷晶堆之间放置有金属体，相对于传统的压电陶瓷复合换能器，级联式换能器具有功率大、强度高、散热性能好等特点。
(2)本发明可以通过改变和优化电阻抗的数值以及变幅、晶堆的几何尺寸和位置，可以实现超声振动系统辐射声阻抗的主动调节，从而改善换能器的各种性能参数。
(3)本发明具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统能够对超声波振动系统各种不同的负载机械阻抗进行主动调整及匹配，从而实现大功率超声波振动系统的高效工作。
附图说明
图1为传统的功率超声振动系统结构示意图。
图2为具有主动声阻抗匹配功能的超声波振动系统的结构示意图。
图3为具有声阻抗主动调节功能的功率超声振动系统的机电等效电路图。
图4为振动系统的共振和反共振频率与电阻抗的依赖关系图。
图5为振动系统的有效机电耦合系数与电阻抗的依赖关系。
图6为振动系统的电声效率与电阻抗的依赖关系。
图7为振动系统的共振及反共振频率与压电陶瓷元件厚度的依赖关系。
图8为振动系统的有效机电耦合系数与压电陶瓷元件厚度的依赖关系。
图9为振动系统的电声效率与压电陶瓷元件厚度的依赖关系。
图10为振动系统的共振及反共振频率与压电陶瓷元件位置的依赖关系。
图11为振动系统的有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的依赖关系。
图12为振动系统的电声效率与压电陶瓷元件位置的依赖关系。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
本发明涉及的具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统，包括级联式功率超声换能器1和具有声阻抗主动匹配功能的超声波变幅杆2；
所述级联式功率超声换能器1由2～4组换能压电陶瓷晶堆和金属连接体组成，一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆之间通过金属连接体连接，一个换能压电陶瓷晶堆与相邻一个换能压电陶瓷晶堆的引线并联连接在激励电源上；
所述超声波变幅杆2连接在级联式功率超声换能器1的振动输出端，所述超声波变幅杆2包括依次连接的振动输入杆21、1～2组变幅压电陶瓷晶堆24以及振动输出杆22和连接在变幅压电陶瓷晶堆24之间的可变电阻抗23；所述可变电阻抗23与变幅压电陶瓷晶堆24并联连接。
进一步说明，换能压电陶瓷晶堆和变幅压电陶瓷晶堆24均可由偶数个层叠设置的PZT-4或PZT-8等发射型压电陶瓷晶片组成。
为了防止在振动过程中压电陶瓷晶片损坏，换能压电陶瓷晶堆的直径小于或等于金属连接体的直径。同理，变幅压电陶瓷晶堆24的直径小于振动输入杆21、振动输出杆22的直径。
进一步说明，振动输出杆22和振动输入杆21均为变截面金属杆或等截面金属杆均可，当振动输入杆21和振动输出杆22均为非圆截面或者变截面时，变幅压电陶瓷晶堆24的直径小于振动输入杆21和振动输出杆22的截面且在振动输入杆21和振动输出杆22的截面内分布即可。
进一步说明，金属连接体和振动输出杆22和振动输入杆21的材质应选机械强度高、弹性大、机械损耗低的金属材料，如钛合金、铝合金、杜拉铝、不锈钢以及铜等。
通过上述具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统实现声阻抗主动匹配的超声振动方法，可由以下步骤实现：
向级联式功率超声换能器1施加激励电压，多组换能压电陶瓷晶堆被激励后同时产生轴向的机械振动，在末端连接的金属连接体上叠加并将叠加后的高强度超声振动作用于超声波变幅杆2的振动输入杆21上，之后轴向传输给振动输出杆22，通过振动输出杆22变换成适合的振动能量作用在负载介质上，同时，调整可变电阻抗23至合适阻抗，并利用变幅压电陶瓷晶堆24的机电转换性能将负载阻抗转换成适合于级联式功率超声换能器1的最佳匹配阻抗，实现超声振动的声阻抗主动匹配。
实施例1
参见图2，本实施例的级联式功率超声换能器1是由依次连接的第一金属体11、第一换能压电陶瓷晶堆12、第二金属体13、第二换能压电陶瓷晶堆14以及第三金属体15组成；其几何尺寸对应为：L1＝L2＝L3＝0.03m，R1＝R2＝R3＝0.026m，R01＝R02＝0.025m，L01＝L02＝0.005m，P1＝P2＝2。
超声波变幅杆2包括依次连接的振动输入杆21、变幅压电陶瓷晶堆24和振动输出杆22以及连接在变幅压电陶瓷晶堆24之间的可变电阻抗23；振动输入杆21与第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15均为等截面金属体，振动输出杆22为变截面梯形金属杆，几何尺寸对应为：L4＝L5＝0.05m，R4＝0.026m，R51＝0.026m，R52＝0.015m，R03＝0.025m，L03＝0.005m，P3＝2。可变电阻抗23的阻抗值范围是10～10000欧姆范围可调。
利用换能器的一维纵振动理论，得出了该具有声阻抗主动匹配功能的功率超声振动系统的机电等效电路，如图3所示。
基于振动系统的机电等效电路，得出了此类功率超声振动系统的输入电阻抗的解析表达式如下：
其中， Zs1＝ZP13+Zn1；Zs2＝ZP23+Zn2 Zf＝ZP12+Z21+Rm；Zb＝ZP21+Z22+Rm， Z51＝-jZ5[(S52/S51)
在上述公式中， Z1＝ρ1c1S1k1＝ω/c1c1＝(E1/ρ1)
ρ1,E1,ρ2,E2，ρ3,E3分别为第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15的密度和杨氏模量，kg/m
ρ4,E4，ρ5,E5分别是振动输入杆21和振动输出杆22对应的密度和杨氏模量，kg/m
ρ0, 是第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24的密度和弹性柔顺系数，kg/m
c1,c2,c3，c4，c5和c0表示第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15、振动输入杆21、振动输出杆22以及压电陶瓷晶堆的纵振动传播速度，m/s；
L1,L2，L3，L4，L5是第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15、振动输入杆21、振动输出杆22的长度，m；
L01，L02，L03分别表示第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24中的压电陶瓷晶片厚度，m；
P1，P2，P3分别表示压电陶瓷晶堆中压电陶瓷晶片的数目；
R1,R2,R3,R4,R51,R52分别表示第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15、振动输入杆21、振动输出杆22的输入端、振动输出杆22的输出端的半径，m；
R01，R02,R03分别表示第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24的半径，m；
Re1,Re2，Re3分别表示第一换能压电陶瓷晶堆12、第二换能压电陶瓷晶堆14以及变幅压电陶瓷晶堆24的介电损耗电阻，Ω；
Rm表示接触面处的机械损耗阻抗，N·S/m。
基于振动系统的输入电阻抗，得出了系统的共振以及反共振频率方程：即Xi＝0。
实施例2
本实施例的级联式功率超声换能器1是由依次连接的第一金属体11、第一换能压电陶瓷晶堆12、第二金属体13、第二换能压电陶瓷晶堆14、第三金属体15、第三换能压电陶瓷晶堆、第四金属体组成；其几何尺寸对应为：L1＝L4＝0.05m,L2＝L3＝0.1m，R1＝R2＝R3＝R4＝0.0195m，R01＝R02＝R03＝0.019m，L01＝L02＝L03＝0.005m，P1＝P2＝P3＝2。
其中，L4为第四金属体的长度，R4为第四金属体的半径，R03为第三换能压电陶瓷晶堆的半径，L03为第三换能压电陶瓷晶堆中单个晶片的厚度，P3是第三换能压电陶瓷晶堆中晶片的数目。
超声波变幅杆2包括依次连接的振动输入杆21、变幅压电陶瓷晶堆24和振动输出杆22以及连接在变幅压电陶瓷晶堆24之间的可变电阻抗23；振动输入杆21与第一金属体11、第二金属体13、第三金属体15均为等截面金属体，振动输出杆22为变截面梯形金属杆，几何尺寸对应为：L5＝L6＝0.05m，R5＝0.0195m，R61＝0.0195m，R62＝0.01m，R04＝0.019m，L04＝0.005m，P4＝2。
其中L5和L6分别是振动输入杆21和振动输出杆22的长度，R5是振动输入杆21的半径，R61和R62分别是振动输出杆22的前后端半径，R04和L04分别是变幅压电陶瓷晶堆24的半径和每一个晶片的厚度，P4是变幅压电陶瓷晶堆24中晶片的数目。
因此，级联式功率超声换能器1和超声波变幅杆2的结构可以在上述的范围内根据实际应用环境和需要进行调整，匹配。
为了验证本发明的超声振动系统的声阻抗主动调节性能，现通过以下实验进行说明，具体如下：
1、电阻抗的影响
基于实施例1的超声振动系统，通过改变不同的电阻抗，对超声振动系统的共振频率、有效机电耦合系数以及电声效率分别进行模拟计算，结果如图4～6所示。
从图4～6可知，当电阻抗增大时，振动系统的共振频率和反共振频率也增大，并出现饱和的现象。随着电阻抗的增大，振动系统的有效机电耦合系数和电声效率出现先减小，后增大的现象。
2、变幅压电陶瓷晶堆24厚度的影响
基于实施例1的超声振动系统，通过改变不同的变幅压电陶瓷晶堆24厚度，对超声振动系统的共振频率、有效机电耦合系数以及电声效率分别进行模拟计算，结果如图7～9所示。
从图7～9可知，当变幅压电陶瓷晶堆24的厚度增大时，振动系统的共振频率和反共振频率、有效机电耦合系数以及电声效率呈现减小的趋势，这就意味着在振动系统的实际设计时，变幅压电陶瓷晶堆24的厚度不宜过大。
3、变幅压电陶瓷晶堆24的位置影响
基于实施例1的超声振动系统，通过改变不同的变幅压电陶瓷晶堆24的位置，对超声振动系统的共振频率、有效机电耦合系数以及电声效率分别进行模拟计算，结果如图10～12所示。
从图10～12可知，当变幅压电陶瓷晶堆24的位置发生改变时，振动系统的共振频率和反共振频率
声阻抗主动匹配的超声振动方法及超声振动系统专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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