李 華 任 坤 汪幫富

(①蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州215001;②河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州450007)

由縱向振動(dòng)壓電超聲振子與球面彎曲振動(dòng)聚焦器組成的縱彎復(fù)合振動(dòng)可具有縱向換能器的高效大功率以及彎曲振動(dòng)的低輻射阻抗和大輻射面積等特點(diǎn)［1-2］。利用球面彎曲振動(dòng)的聚焦特性，把超聲振動(dòng)的能量聚焦后作用于精密加工的冷卻介質(zhì)，可進(jìn)一步提高介質(zhì)的換熱能力從而最大限度減少冷卻液用量，在保證高效冷卻的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)綠色精密加工［3-4］。根據(jù)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型球面彎曲振動(dòng)超聲聚焦器［5-6］，并對(duì)該聚焦器的聲場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該新型球面彎曲振動(dòng)超聲聚焦器對(duì)于改善精密加工過(guò)程的冷卻效果具有積極的意義。

1 球面彎曲振動(dòng)超聲聚焦器

球面彎曲振動(dòng)超聲聚焦器總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)由縱向振動(dòng)壓電超聲振子和彎曲振動(dòng)的自聚焦球殼兩部分組成，聚焦球殼與壓電超聲振子通過(guò)螺紋聯(lián)接，壓電超聲振子的縱振頻率與聚焦球殼的彎曲振動(dòng)頻率一致，當(dāng)壓電超聲振子產(chǎn)生縱向振動(dòng)傳遞給球殼后，轉(zhuǎn)換為球殼的彎曲振動(dòng)，即系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)縱彎復(fù)合振動(dòng)模式。圖2 為利用有限元軟件仿真得到的縱彎復(fù)合振動(dòng)諧振時(shí)的模態(tài)剖視圖。為得到聚焦球殼彎曲振動(dòng)時(shí)的振型，利用MTI -2100 光纖測(cè)振儀對(duì)曲率半徑為60 mm 的聚焦球殼表面振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:工作頻率42.19 kHz;功放電壓120 V、電流1.5 A。由于球殼為中心對(duì)稱，故只需測(cè)試球殼表面徑向任一水平線的振動(dòng)位移。測(cè)試以球殼邊緣為起始點(diǎn)，每?jī)蓽y(cè)試點(diǎn)間距2 mm，至球殼中心孔，每邊19 點(diǎn)，球殼沿徑向方向振動(dòng)位移測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。由測(cè)試結(jié)果可以看出，球殼內(nèi)表面有3個(gè)節(jié)圓存在，雖然存在加工與測(cè)量誤差，但兩邊振型的對(duì)稱度較好，與仿真結(jié)果對(duì)比，二者振型一致。

2 聲場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

聚焦器的推動(dòng)能力以及聚焦效果直接關(guān)系到冷卻介質(zhì)能否有效地作用到加工區(qū)并實(shí)現(xiàn)換熱，因此需要研究球面彎曲振動(dòng)超聲聚焦器的焦點(diǎn)以及空間分布情況。利用三坐標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)帶動(dòng)壓力傳感器對(duì)不同曲率半徑及厚度凹球面自聚焦球殼進(jìn)行測(cè)試，得出其在空氣場(chǎng)中的聲壓分布以及焦點(diǎn)位置與自身幾何參數(shù)之間的關(guān)系，為確定所設(shè)計(jì)的聚焦換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。為方便表達(dá)，不同曲率半徑的球殼直接用半徑標(biāo)示。

2.1 聲場(chǎng)測(cè)試平臺(tái)搭建

如圖4 所示，三坐標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)主要由高精度三坐標(biāo)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和高精度壓力傳感器構(gòu)成，三坐標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試范圍為1200 mm×800 mm×800 mm。測(cè)試時(shí)超聲聚焦器的信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器提供，傳感器與信號(hào)放大器連接，接收的壓力信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后輸入示波器，記錄示波器顯示數(shù)據(jù)。三坐標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)，超聲聚焦器夾持在工作臺(tái)上，傳感器固定在三坐標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)中心位置。測(cè)試時(shí)傳感器位置不動(dòng)，不同位置的聲場(chǎng)測(cè)試通過(guò)移動(dòng)工作臺(tái)來(lái)完成。每?jī)蓚€(gè)測(cè)試點(diǎn)之間間隔3 mm。聲壓測(cè)試選用QSY8116 壓力傳感器和QSY7706 電荷放大器。得到的電壓值經(jīng)公式(1)換算即可得到實(shí)際聲壓大小。

式中:P為測(cè)得的壓力，kPa;V為測(cè)量時(shí)的輸出電壓值，mV;K1為電荷放大器放大倍數(shù)，mV/pC;K2為傳感器靈敏度，pC/kPa;b為傳感器截距，pC。

2.2 聲場(chǎng)分布仿真與實(shí)驗(yàn)

利用有限元對(duì)聲場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出超聲振動(dòng)聚焦系統(tǒng)聲場(chǎng)聲壓分布，球殼軸線兩側(cè)有兩個(gè)聲瓣，并且在聚焦球殼前方接近球心處有一焦區(qū)，聲波近似為球面波向外傳播且聲壓幅值隨著傳播距離的增加逐漸減小。

取球殼對(duì)稱軸作為測(cè)量點(diǎn)的分布線，從球殼中心開(kāi)始為起始點(diǎn)至邊緣，每?jī)蓽y(cè)試點(diǎn)之間間距3 mm。測(cè)試時(shí)，傳感器QSY8116，靈敏度11.28 pC/kPa，傳感器截距-0.33 pC，量程2.5 kPa，電荷放大倍數(shù)100 Pc/mV。對(duì)于聲場(chǎng)分布，測(cè)試了曲率半徑為60 mm、厚度3 mm 的聚焦球殼的聲場(chǎng)分布。換能器工作頻率27.47 kHz，電壓300 V，電流1.5 A，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5 可以看出球殼在軸線上距離傳感很遠(yuǎn)的位置，壓力還可以達(dá)到0.4～0.6 kPa，說(shuō)明球殼彎曲振動(dòng)超聲聚焦器的彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的超聲波可以在空氣中傳播一定距離而不會(huì)像縱波那樣很快地衰減。軸線上最大相對(duì)壓力可以達(dá)到1.4 kPa。超聲聚焦不是一個(gè)焦點(diǎn)而是一個(gè)焦域。焦域?qū)挾仍谒椒较蛏蠟?6 mm到6 mm 處，長(zhǎng)度為軸線上18 mm 到30 mm 處;此外在與軸線成45°和60°方向上有2 個(gè)聲瓣存在。

2.3 軸線聲壓實(shí)驗(yàn)

將傳感器中心調(diào)至與聚焦球殼的幾何軸線重合，通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)試系統(tǒng)改變傳感器與球殼的距離測(cè)出聚焦換能器軸線的聲壓分布。傳感器端面與聚焦器接觸時(shí)為起始測(cè)試點(diǎn)記作0 點(diǎn)，每?jī)蓽y(cè)試點(diǎn)之間間距仍取3 mm。對(duì)不同參數(shù)聚焦器軸線聲壓的測(cè)試結(jié)果分別如圖6、圖7。

在保證其他尺寸參數(shù)相同的情況下，只改變球殼厚度，當(dāng)厚度變薄之后，相當(dāng)于負(fù)載減小，球殼表面振幅增大從而聲壓值增大，說(shuō)明壓力隨厚度的減小而增大，但基本不影響焦點(diǎn)的位置。由曲線變化的斜率也可看出厚度減小，軸線上聲壓變化的速度也更快。

比較曲率半徑為60 mm 和90 mm 的兩個(gè)球殼的軸線聲壓值，可以看出曲率半徑為60 mm 的焦點(diǎn)聲壓明顯大于曲率半徑為90 mm 的聚焦球殼，且焦點(diǎn)位置更接近幾何中心，說(shuō)明曲率半徑60 mm 的比90 mm 的聚焦效果更好。而且R60 mm 的球殼在離開(kāi)球殼中心位置很遠(yuǎn)處還能保持比較大的聲壓，也說(shuō)明其聲場(chǎng)的指向性更好。

對(duì)比曲率半徑同樣為90 mm 但不同振動(dòng)頻率的兩組軸線，當(dāng)頻率升高之后，焦點(diǎn)的壓力值雖然基本保持不變，但總體要比低頻的小。而且低頻具有較大聲壓的區(qū)域也更多一些。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)所設(shè)計(jì)的球面彎曲振動(dòng)超聲聚焦器的聲場(chǎng)分布以及軸線聲壓進(jìn)行了有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到以下結(jié)論:(1)聲場(chǎng)存在一個(gè)主聲瓣和兩個(gè)旁瓣，主聲瓣寬度都在為12 mm。為提高聚焦球殼的推動(dòng)力，應(yīng)使旁瓣盡量靠近軸線，與主瓣的夾角越小，指向性越好，且只在焦域有較窄的聲束，曲率半徑減小有助于提高聲場(chǎng)指向性;(2)球殼厚度減小有助于提升振幅和聲壓，但不影響焦點(diǎn)位置;(3)頻率升高，焦點(diǎn)壓力也隨之減小，且焦點(diǎn)位置會(huì)遠(yuǎn)離聚焦球殼幾何中心，故可以通過(guò)改變聚焦球殼的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的焦點(diǎn)位置。由于球面彎曲振動(dòng)超聲聚焦器在精密加工汽霧冷卻系統(tǒng)中起推動(dòng)汽霧的作用，因此該研究結(jié)果也為超聲霧化器的樣機(jī)定型以及放置點(diǎn)提供了參考依據(jù)。

［1］周光平.超聲振動(dòng)系統(tǒng)的縱—彎和縱—扭復(fù)合振動(dòng)［J］. 聲學(xué)學(xué)報(bào)，2001，26(5 ):435 -438.

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