● 摘要
随着生产的发展，对超声波技术的需求量日益增加，超声波焊接，超声波打孔，特别是近几年发展起来的超声马达的研究，带来了对扭转合纵一扭振动模式的超声振动系统的需求。以前，人们的注意力主要集中于对预应力螺杆复合棒压电扭转振动换能器的研究、开发和应用，而对于预应力螺杆复合棒压电扭振动换能器，特别是对于纵一扭复合振动模式的换能器的研究甚少，本文对以下两方面的问题，进行了初步的研究，并将理论计算与实验结果进行了比较。 1. 从扭转振动的波动方程出发，首次给出了预应力螺杆复合棒压电扭转振动换能器，在一维条件下所满足的共振频率方程，给出了这种换能器的一般设计方法。利用这种方法设计了两种扭转振动换能器，经测试，理论计算与实验结果基本符合。 2. 由于纵波在介质中的传播速度（V_1）和扭转波的传播速度（V_t）是不相等的，纵波传播速度约为扭转波传播速度的1.6倍。所以，在相同长度的棒中，纵振动与扭转振动难以有相同的共振频率。本文以一维声传输线理论为基础，运用等效网络进行分析，考虑到指数杆的弯延指数β对纵波传播速度的影响程度和它对扭转波传播速度的影响程度不相同，通过大量计算，首次得出：只要合理的选择职数杆的弯延指23、数β，纵一扭复合振动换能器纵振动的一次谐波和扭转振动的二次谐波，在相同长度下，可以有相同的共振频率。并对影响弯延指数β值的因素进行了初步探讨。 主要结论如下： 第一、截面均匀的预应力螺杆复合棒压电扭转振动换能器所满足的共振频率方程是： tgKt1L1*tgKt2L2=Z1/Z2 tgKt3L3*tgKt4L4=Z3/Z4 其中：Kt1 ，L1；Kt3 ，L3；分别为前后质量块中的波数和质量块厚度。 Kt2 ，L2；Kt4 ，L4；分别为两个产生扭转振动压电陶瓷片中的波数和压电陶瓷片厚度。 第二、对于纵一扭复振动换能器，第5，在相同的长度下，纵振动的基频在扭转振动的基频上不谐振。 第三、通过合理的选择弯延指数β（论文中取β=13。5/m），可达到纵一扭复合振动换能器的纵振动的基频，和扭转振动的二次谐波在相同长度下，有相同的共振频率。 第四、对于给定的压电陶瓷元件，存在一确定的β值，满足纵一扭复合振动换能器的宗震动的基频和扭转这振动的二次谐波在相同长度下，有相同的共振频率。如果改变压电陶瓷的厚度，则弯延指数β也将随之改变。 以上研究为扭转振动换能器，特别是为纵一扭复合振动换能器的设计提供了新的设计思路和方法。对这种形式的换能器的工程计算提供理论依据。