球面彎曲振動超聲聚焦器的聲場特性實驗研究*

李 華 任 坤 汪幫富

(①蘇州科技學院，江蘇 蘇州215001;②河南工業大學，河南 鄭州450007)

由縱向振動壓電超聲振子與球面彎曲振動聚焦器組成的縱彎復合振動可具有縱向換能器的高效大功率以及彎曲振動的低輻射阻抗和大輻射面積等特點［1-2］。利用球面彎曲振動的聚焦特性，把超聲振動的能量聚焦后作用于精密加工的冷卻介質，可進一步提高介質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上，實現綠色精密加工［3-4］。根據這一特點，設計了一種新型球面彎曲振動超聲聚焦器［5-6］，并對該聚焦器的聲場進行了實驗研究。該新型球面彎曲振動超聲聚焦器對于改善精密加工過程的冷卻效果具有積極的意義。

1 球面彎曲振動超聲聚焦器

球面彎曲振動超聲聚焦器總體結構如圖1 所示，該系統由縱向振動壓電超聲振子和彎曲振動的自聚焦球殼兩部分組成，聚焦球殼與壓電超聲振子通過螺紋聯接，壓電超聲振子的縱振頻率與聚焦球殼的彎曲振動頻率一致，當壓電超聲振子產生縱向振動傳遞給球殼后，轉換為球殼的彎曲振動，即系統實現縱彎復合振動模式。圖2 為利用有限元軟件仿真得到的縱彎復合振動諧振時的模態剖視圖。為得到聚焦球殼彎曲振動時的振型，利用MTI -2100 光纖測振儀對曲率半徑為60 mm 的聚焦球殼表面振動位移進行測試，測試條件為:工作頻率42.19 kHz;功放電壓120 V、電流1.5 A。由于球殼為中心對稱，故只需測試球殼表面徑向任一水平線的振動位移。測試以球殼邊緣為起始點，每兩測試點間距2 mm，至球殼中心孔，每邊19 點，球殼沿徑向方向振動位移測試結果如圖3 所示。由測試結果可以看出，球殼內表面有3個節圓存在，雖然存在加工與測量誤差，但兩邊振型的對稱度較好，與仿真結果對比，二者振型一致。

2 聲場測試實驗研究

聚焦器的推動能力以及聚焦效果直接關系到冷卻介質能否有效地作用到加工區并實現換熱，因此需要研究球面彎曲振動超聲聚焦器的焦點以及空間分布情況。利用三坐標測試系統帶動壓力傳感器對不同曲率半徑及厚度凹球面自聚焦球殼進行測試，得出其在空氣場中的聲壓分布以及焦點位置與自身幾何參數之間的關系，為確定所設計的聚焦換能器結構參數提供依據。為方便表達，不同曲率半徑的球殼直接用半徑標示。

2.1 聲場測試平臺搭建

如圖4 所示，三坐標測試系統主要由高精度三坐標移動機構和高精度壓力傳感器構成，三坐標測試系統測試范圍為1200 mm×800 mm×800 mm。測試時超聲聚焦器的信號由信號發生器和功率放大器提供，傳感器與信號放大器連接，接收的壓力信號經信號放大器放大后輸入示波器，記錄示波器顯示數據。三坐標測試系統工作時，超聲聚焦器夾持在工作臺上，傳感器固定在三坐標測試系統中心位置。測試時傳感器位置不動，不同位置的聲場測試通過移動工作臺來完成。每兩個測試點之間間隔3 mm。聲壓測試選用QSY8116 壓力傳感器和QSY7706 電荷放大器。得到的電壓值經公式(1)換算即可得到實際聲壓大小。

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

2.2 聲場分布仿真與實驗

利用有限元對聲場分布進行仿真，結果如圖5 所示。從圖中可以看出超聲振動聚焦系統聲場聲壓分布，球殼軸線兩側有兩個聲瓣，并且在聚焦球殼前方接近球心處有一焦區，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。

取球殼對稱軸作為測量點的分布線，從球殼中心開始為起始點至邊緣，每兩測試點之間間距3 mm。測試時，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100 Pc/mV。對于聲場分布，測試了曲率半徑為60 mm、厚度3 mm 的聚焦球殼的聲場分布。換能器工作頻率27.47 kHz，電壓300 V，電流1.5 A，測試結果如圖5所示。

由圖5 可以看出球殼在軸線上距離傳感很遠的位置，壓力還可以達到0.4～0.6 kPa，說明球殼彎曲振動超聲聚焦器的彎曲振動產生的超聲波可以在空氣中傳播一定距離而不會像縱波那樣很快地衰減。軸線上最大相對壓力可以達到1.4 kPa。超聲聚焦不是一個焦點而是一個焦域。焦域寬度在水平方向上為-6 mm到6 mm 處，長度為軸線上18 mm 到30 mm 處;此外在與軸線成45°和60°方向上有2 個聲瓣存在。

2.3 軸線聲壓實驗

將傳感器中心調至與聚焦球殼的幾何軸線重合，通過三坐標測試系統改變傳感器與球殼的距離測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為起始測試點記作0 點，每兩測試點之間間距仍取3 mm。對不同參數聚焦器軸線聲壓的測試結果分別如圖6、圖7。

在保證其他尺寸參數相同的情況下，只改變球殼厚度，當厚度變薄之后，相當于負載減小，球殼表面振幅增大從而聲壓值增大，說明壓力隨厚度的減小而增大，但基本不影響焦點的位置。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 的兩個球殼的軸線聲壓值，可以看出曲率半徑為60 mm 的焦點聲壓明顯大于曲率半徑為90 mm 的聚焦球殼，且焦點位置更接近幾何中心，說明曲率半徑60 mm 的比90 mm 的聚焦效果更好。而且R60 mm 的球殼在離開球殼中心位置很遠處還能保持比較大的聲壓，也說明其聲場的指向性更好。

對比曲率半徑同樣為90 mm 但不同振動頻率的兩組軸線，當頻率升高之后，焦點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域也更多一些。

3 結語

對所設計的球面彎曲振動超聲聚焦器的聲場分布以及軸線聲壓進行了有限元仿真和實驗測試，得到以下結論:(1)聲場存在一個主聲瓣和兩個旁瓣，主聲瓣寬度都在為12 mm。為提高聚焦球殼的推動力，應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，但不影響焦點位置;(3)頻率升高，焦點壓力也隨之減小，且焦點位置會遠離聚焦球殼幾何中心，故可以通過改變聚焦球殼的頻率來實現所需的焦點位置。由于球面彎曲振動超聲聚焦器在精密加工汽霧冷卻系統中起推動汽霧的作用，因此該研究結果也為超聲霧化器的樣機定型以及放置點提供了參考依據。

［1］周光平.超聲振動系統的縱—彎和縱—扭復合振動［J］. 聲學學報，2001，26(5 ):435 -438.

［2］林書玉.氣介式彎曲振動功率超聲復合換能器的振動特性研究［J］.陜西師范大學學報，2000，28(1):33 -38.

［3］馮若.超聲手冊［M］.南京:南京大學出版社，1999.

［4］陸穎，王繼先，高航.基于環保的“綠色”冷卻技術的新進展［J］. 機械設計與制造，2000(5):65 -66.

［5］Li Hua，Zhao Jiangjiang，Yin Zhen，et al. Design and research of a new ultrasonic atomizing vibrator［J］. Applied Mechanics and Materials，2013(328):468 -472.

［6］殷振、李華.超聲內圓磨削系統新型振子的仿真和實驗研究［J］. 機械設計與制造，2010(8):187 -189.