超声谐振器设计知识库Ultrasonic Resonator Design

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本网站旨在为超声谐振器设计提供一个集中的资源库。然而，它既不全面，也不是最终的定论。

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  3. 如果您不确定某个术语的含义，请查阅术语表。
  4. 除非另有说明，所有谐振器均为 20 kHz 设计。不过，所有尺寸和机械性能都可以线性缩放到其他工作频率。（注意，在考虑负载影响的情况下，负载的影响不一定能线性缩放到其他频率。）
    在可能的情况下，20 kHz"标准"设计的尺寸被选择为能够很好地缩放到其他常用频率（15 kHz、30 kHz、35 kHz 和 40 kHz）。这可以避免一些别扭的尺寸。例如，对于 20 kHz 圆柱形变幅杆，126 mm 的端面直径可以很好地缩放，而 125 mm 的直径则不能。（注：并非所有尺寸都能选择得缩放良好，尤其是缩放到 35 kHz 时。）
    5. 频率 (kHz) 端面直径
    （"别扭"尺寸）    		 端面直径
    （"良好"尺寸）
    20 125.0
    （缩放到下列其他频率时别扭）    		 126.0
    （缩放到下列其他频率时良好）
    15 187.5 189.0
    30 83.333... 84.0
    35 71.429... 72.0
    40 62.5 63.0
  5. 当公式中出现乘法运算时，不显示乘号"x"（或"*"）。但相邻的乘法因子之间总是至少用一个空格分隔，以区分各个因子。例如，牛顿第二运动定律将显示为 \( F = m \, \ddot{u} \) 而不是 \( F = m\ddot{u} \)。
  6. 除非另有说明：
    1. 对于实验测试，所有性能数据和调谐速率均包含驱动谐振器的换能器。
    2. 对于有限元分析，不包含换能器（即只分析谐振器）。
    3. 所有系统均为线性。
    4. 所有应力值均为 von Mises（冯·米塞斯）应力。
    5. 所有材料均假定为各向同性且均匀。
    6. 所有铝谐振器均由 Al 7075-T6 制成。
    7. 所有钛谐振器均由 Ti-6Al-4V 制成。
  7. 所有文字处理文档和电子表格均为 .od*（开放文档）格式，可用 OpenOffice 或 LibreOffice（免费办公套件）查看。
  8. 文中提及了多家供应商和制造商。然而，此类提及并不代表认可或推荐。
  9. 多位人士和公司惠允向本网站提供图片，并已注明致谢。然而，此类致谢并不代表认可或推荐。

单位

主要单位为公制。次要单位为英制。

表 1. 单位
参数 主要单位
[次要单位]
通用 mks -SI
[英制]
尺寸 mm
[英寸]
振幅 微米_峰值 (μm)
（见下文振幅）
[mils，峰值]
温度 摄氏度 (°C)
[华氏度，°F]
表面粗糙度 微米 (μm) 或 ISO 等级号
[微英寸，μin]

上表中，次要单位（仅偶尔使用）显示在方括号 [ ] 中。

振幅

重要 — 振幅传统上以峰-峰值表示。然而，加速度、应力和应变是由峰值振幅而不是峰-峰值确定的。因此，本网站将使用峰值振幅（少数历史遗留情况除外）。在可能引起混淆的文字中，振幅将写为"微米_峰值"。在公式中，振幅通常简写为 \( U \)，隐含为峰值振幅。

图纸

见此处。

有限元分析（FEA）

方向

谐振器通常以输出端面朝上的方向显示。之所以选择这个方向，是因为端面振幅分布往往对应用最为重要。图纸也采用相同的方向。

颜色

FEA 颜色

FEA 颜色显示振幅和应力的相对值 — 红色等暖色表示高值，而蓝色等冷色表示低值。除非另有说明，这些颜色不表示任何实际数值。因此，不同谐振器之间的颜色一般不能相互比较。例如，两个变幅杆可能都显示出"红色"应力区域。然而，这些红色区域只表示应力高的位置 — 并不表示两个变幅杆的应力同样高；事实上，一个变幅杆的应力可能比另一个高得多。

对于实际的谐振器，振幅和应力以连续方式变化（即不会发生突然的阶跃跳变），如下图左所示。然而，为了清楚地区分不同的性能区域，FEA 模型以条纹状颜色显示（下图右）。

实际超声变幅杆——连续颜色
实际变幅杆——连续颜色
实际超声变幅杆——条纹状颜色
FEA 变幅杆——条纹状颜色
图 1. FEA 振幅着色

在动画过程中，每种颜色保持在其最初最大位移时的值不变。

位移比例

为了便于观察，图像中的振动位移被大大夸大了。

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    \begin{equation} E = m \, c^{2} \end{equation}

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修订

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