许 龙 范秀梅

(中国计量大学理学院 杭州 310018)

0 引言

径向振动压电陶瓷复合换能器具有辐射面积大[1]、辐射效率高[2]、径向辐射均匀以及径向灵敏度高等突出优点[3−4]，在水声发射和接收[5]、超声降解[6]、超声拔丝拔管等方面得到了广泛的应用[7−8]。这种换能器是由压电陶瓷圆环/圆管与金属圆环/圆管径向复合而成[9]。金属圆环/圆管可以改善压电陶瓷圆环的散热[10]，提高换能器的功率容量[11]；改变金属圆环的结构参数，可以调节换能器的工作频率以满足不同的应用场景[12]。

为了适用于径向超声滚动切割或径向超声滚焊的应用需求[13−14]，设计了一种由压电陶瓷圆环和阶梯型金属薄圆环复合而成的径向振动压电超声换能器。根据力电类比原理建立了阶梯型金属薄圆环径向振动的等效电路，推导了其径向共振频率方程和位移放大系数，根据理论模型和有限元仿真模拟分析了阶梯型金属薄圆环的径向振动性能。在此基础上进一步建立了阶梯圆环压电超声换能器的等效电路，推导了其共振和反共振频率方程，根据理论推导和有限元仿真模拟研究了阶梯圆环压电超声换能器的径向振动性能。本文研究的阶梯圆环径向振动压电超声换能器与目前应用于超声滚焊和超声切割的换能器在结构及工作原理上均不同。现有的超声滚焊系统主要是通过夹心式压电超声振动系统的纵向振动实现超声滚动焊接，超声振动系统的尺寸通常大于等于3个半波长；……