经典变幅杆

目录

    • 图 1. 棱柱形变幅杆的性能
    • 图 2. 锥形变幅杆的性能(理论)
    • 图 3. 指数形变幅杆的性能(理论)
    • 图 4. 悬链线形变幅杆的性能(理论)
    • 图 5. 悬链线形变幅杆的性能(20 kHz,带 60 mm 肩部)
    • 表 1. 性能比较
    • 表 2. 悬链线形变幅杆性能比较(20 kHz,无肩部与带肩部)

理论变幅杆

经典变幅杆是指具有单一外表面(即可用单个数学方程描述的表面)、且其理论性能可由一维波动方程数学推导得出(忽略泊松比的所有影响)的变幅杆。经典变幅杆包括棱柱形(无外形)、指数形、悬链线形和锥形。

(注 — 还有其他表面方程,例如多项式,也可以描述单一表面。然而,一维波动方程对这类表面可能无法求解。)

棱柱形(无外形)

图 — 20 kHz 棱柱形超声变幅杆,振幅
振幅
图 — 20 kHz 棱柱形超声变幅杆,相对应力
应力(相对)
图 1. 棱柱形变幅杆的性能

详见……

锥形

图 — 20 kHz 锥形超声变幅杆,振幅(理论)
振幅
图 — 20 kHz 锥形超声变幅杆,相对应力(理论)
应力(相对)
图 2. 锥形变幅杆的性能(理论)

指数形

图 — 20 kHz 指数形超声变幅杆,振幅(理论)
振幅
图 — 20 kHz 指数形超声变幅杆,相对应力(理论)
应力(相对)
图 3. 指数形变幅杆的性能(理论)

悬链线形

图 — 20 kHz 悬链线形超声变幅杆,振幅(理论)
振幅
图 — 20 kHz 悬链线形超声变幅杆,相对应力(理论)
应力(相对)
图 4. 悬链线形变幅杆的性能(理论)

性能比较

表 1. 性能比较
变幅杆 调谐长度 增益 相对应力
棱柱形 1.00 1.00 1.00
锥形 1.16 3.15 0.57
指数形 1.09 4.00 0.60
悬链线形 1.02 5.15 0.66

表注 —

  1. 棱柱形变幅杆的所有数值均取名义值 1.00 无量纲单位。这样其他变幅杆的性能就可以直接与作为基准的棱柱形变幅杆比较。例如,锥形变幅杆的长度比棱柱形变幅杆高 16%,增益是其 3.15 倍。
  2. 振幅均相对于共同的输入振幅 1.0。于是变幅杆的增益就是振幅图最右端的振幅(即输出振幅)。
  3. 应力均相对于共同的输出振幅(而非输入振幅),因为执行应用的是输出振幅。例如,在相同输出振幅下,锥形变幅杆中的应力是棱柱形变幅杆的 57%(即低 43%)。
  4. 尽管表中的性能是针对 20 kHz 示例变幅杆确定的,但其相对性能在任何频率下都相同。
  5. 图中结果标注为 "近似",是由其确定方式所致。不过,这些结果与理论值非常接近。

实用变幅杆

上述理论变幅杆并不实用,因为它们没有将其紧固到另一谐振器上的手段(如扳手孔或扳手平面)。紧固手段通常要求在变幅杆后部有一个棱柱形肩部。对于传统的锥形和指数形变幅杆,这些肩部通常相当短(例如 20 kHz 变幅杆为 12 mm)。这样短的肩部不会对变幅杆的性能产生显著影响。

另一方面,悬链线形变幅杆的肩部一般非常长,通常约为四分之一波长(对大多数声学材料,20 kHz 时约为 60 mm)。与上述理论悬链线形变幅杆相比,这将显著影响实用悬链线形变幅杆的性能。

图 — 20 kHz 带 60 mm 肩部的悬链线形超声变幅杆,振幅
振幅
图 — 20 kHz 带 60 mm 肩部的悬链线形超声变幅杆,相对应力
应力(相对)
图 5. 悬链线形变幅杆的性能
(20 kHz,带 60 mm 肩部)
表 2. 悬链线形变幅杆性能比较(20 kHz,无肩部与带肩部)
变幅杆 调谐长度 增益 相对应力
悬链线形(无肩部) 1.02 5.15 0.66
悬链线形(60 mm 肩部) 1.31 6.54 0.60