一种超声换能器激振频率选择方法

摘要

本发明提供一种超声换能器激振频率选择方法，所述方法包括：针对待处理的超声换能器，根据超声换能器的参数，确定超声换能器的扫频范围；根据扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；根据扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件；根据筛选规则，和筛选临界条件，从扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。上述方法选择的超声换能器的激振频率使得超声换能器与外部匹配电感产生耦合谐振，达到电能到机械能的最佳转化效果，振幅最大，振动稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及超声加工技术领域，特别是一种超声换能器激振频率选择方法及装置、计算机存储介质。

背景技术

超声振动加工中，超声换能器接受超声电源输出的电能，并转换为机械能，驱动刀具产生超声频的微米级的振动，从而实现刀具与加工工件的周期性分离，降低切削力，改善加工表面质量，延长刀具寿命，该技术适宜于难加工材料加工。

超声换能器为超声加工系统关键部件，采用夹心式结构(如图1所示)，由变幅杆1、压电陶瓷堆2、后盖板3和紧固螺栓4组成。超声换能器等效阻抗网络如图2所示，其中C₀称为换能器的静态电容，它是受夹持压电振子两极板之间的电容，是一个真实存在的电学量，可以通过电容表直接测得，在换能器工作过程中近似为常数。L₁称为换能器的等效动态电感，C₁称为换能器的等效动态电容，R₁称为换能器的等效动态电阻。L₁、C₁、R₁反映了换能器压电振子的机械特性，其中，L₁代表了压电振子的质量，C₁代表了压电振子的柔量，R₁代表了压电振子的阻尼，当换能器振动时，这三个参数受负载和温度影响会发生变化。L₁、C₁、R₁串联构成换能器的机械支路，并与电学支路C₀并联耦合。

超声换能器是一个容性元件，为保证超声电源输出的电能有效转换为超声换能器的机械振动，需要在超声电源和超声换能器之间增加一个感性元件对换能器的容抗进行补偿，感性元件与超声换能器内部的容抗发生耦合谐振，使超声电源的负载表现为纯电阻，称这种补偿为阻抗匹配，而此时的耦合谐振频率即为换能器的激振频率。采用可调电感进行阻抗匹配的方法如图3所示，其中，R_T、X_T分别称为超声换能器的串联电阻和串联容抗，是换能器内部机械支路和电学支路耦合的结果，可由图2等效变换得到。

根据图2，当换能器的激振频率时，换能器的机械支路发生谐振，称此频率为换能器的机械谐振频率，记作f_s。当换能器的机械支路谐振时，换能器振动最为强烈，因而被认为是换能器的最佳激振频率。但换能器在机械谐振频率激振时，振动不稳定，且换能器是一个机电耦合体，不仅换能器内部存在机电耦合，与外部的匹配电感也存在耦合，要选择换能器的激振频率，不能单从换能器的机械支路分析，而应从整个换能器激振系统的机电耦合过程来分析确定。

综上，如何基于计算机程序实现对现有的超声换能器的激振频率进行合理选择成为当前需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种超声换能器激振频率选择方法及装置、计算机存储介质。

第一方面，本发明提供一种超声换能器激振频率选择方法，包括：

101、针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围；

102、根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；

103、根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件。

104、根据筛选规则和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。

可选的，所述步骤101包括：

根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；

根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。

可选的，所述步骤103包括：

获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及

获取最小电抗对应的该频率节点的电抗与电阻的比值作为第一比值；

将第一比值的绝对值作为筛选临界条件Kmin。

可选的，所述步骤104包括：

将所有频率节点对应的比值绝对值超出所述筛选临界条件Kmin和另一临界条件Kmax的频率节点去除，剩余的频率节点为筛选的作为激励超声换能器的超声换能器工作频率的节点；

其中，另一临界条件Kmax为预先设定的比值绝对值的最大值。

第二方面，本发明还提供一种超声换能器激振频率选择装置，包括：

处理器和存储器，所述存储器用于存储指令，所述处理器执行所述存储中存储的指令，具体包括：

针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围；

根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；

根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件；

根据筛选规则和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。

可选地，所述处理器还用于，根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；

根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。

可选地，所述处理器还用于，

获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及

获取最小电抗对应的该频率节点的电抗与电阻的比值作为第一比值；

将第一比值的绝对值作为筛选临界条件Kmin。

可选地，所述处理器还用于，将所有频率节点对应的比值绝对值超出所述筛选临界条件Kmin和另一临界条件Kmax的频率节点去除，剩余的频率节点为筛选的作为激励超声换能器的工作频率的节点；

其中，另一临界条件Kmax为预先设定的比值绝对值的最大值。

第三方面，本发明还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面任意一项方法的步骤。

本发明具有的有益效果：

1)超声换能器依据选择的工作频率与外部匹配电感产生耦合谐振，达到电能到机械能的最佳转化效果，振幅最大，振动稳定。

2)本发明实施例中以换能器激振系统整体机电耦合为出发点，确定换能器的固有机械谐振频率以及偏固有机械谐振区，换能器在偏固有机械谐振区耦合谐振时，能够获得理想的高压正弦波激振电压信号，因而其振动效果要优于换能器在固有机械谐振频率点的耦合振动。

附图说明

图1为现有技术中夹心式换能器的结构示意图；

图2为图1中的夹心式换能器的等效电路图；

图3为图2中的夹心式换能器的可调电感串联匹配的示意图；

图4a为本发明一实施例提供的超声换能器激振频率选择方法的流程示意图；

图4b为本发明另一实施例提供的超声换能器激振频率选择方法的流程示意图；

图5为本发明中换能器机械谐振点分析图；

图6为本发明中换能器工作谐振点选择示意及匹配电感计算分析图；

图7为本发明中一实施例中绘制的阻抗圆分析图；

图8a为本发明中机械谐振频率下换能器振幅测量图；

图8b为本发明中机械谐振频率下换能器两端激振电压及回路电流测量图；

图9a为本发明中偏固有谐振区下换能器振幅测量图；

图9b为本发明中偏固有谐振区下换能器两端激振电压及回路电流测量图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

本发明实施例提供一种超声换能器激振频率选择方法，如图4a所示，该方法包括下述的步骤：

101、针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围。

例如，根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。

102、根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值。

103、根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件。

例如，获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及获取电抗对应的该频率节点的电抗与电阻的第一比值；将第一比值绝对值作为筛选临界条件Kmin，另外，进一步设定另一临界条件Kmax，即将电抗与电阻比值绝对值最大值设定为Kmax。

104、根据筛选规则，和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的工作频率。

例如，将所有频率节点对应的比值绝对值超出所述筛选临界条件Kmin和另一临界条件Kmax的频率节点去除，剩余的频率节点为筛选的作为激励超声换能器的超声换能器工作频率的节点。

本实施例的方法具有下述优点：

1)超声换能器依据选择的工作频率与外部匹配电感产生耦合谐振，达到电能到机械能的最佳转化效果，振幅最大，振动稳定。

2)本发明实施例中以换能器激振系统整体机电耦合为出发点，确定换能器的固有机械谐振频率以及偏固有机械谐振区，换能器在偏固有机械谐振区耦合谐振时，能够获得理想的高压正弦波激振电压信号，因而其振动效果要优于换能器在固有机械谐振频率点的耦合振动。

本实施例的方法均是通过电子设备中的计算机程序实现的，其中，该计算机程序需要输入超声换能器的导纳参数，进而最后输出至少一个激励超声换能器的超声换能器工作频率。在实际中，该计算机程序可最后输出的是一个优选的激励超声换能器的超声换能器工作频率。

实施例二

本实施例可以通过如下步骤实现：

第一步：采用阻抗分析仪对超声换能器机械谐振频率附近的阻抗特性进行扫频，获得机械谐振频率附近各频率下对应电阻R、电抗X值；

第二步：将各点电阻R、电抗X的值输入控制器程序，控制器程序分析得出最小电抗X所在的点，并计算该频率下电抗X与电阻R的比值；存储该点频率与该点电抗与电阻比值的绝对值K_min；计算各频率电抗X与电阻R的比值并存储；

第三步：设定电抗X与电阻R比值绝对值最大值K_max，控制器程序筛选出电抗X与电阻R比值绝对值大于K_min，小于设定的比值绝对值最大值K_max点并存储筛选出的各点频率值。

第四步：控制器输出筛选的各点频率值，并通过程序选择某一频率作为超声换能器工作频率，激励超声换能器。

为更好的理解上述实施例一和实施例二的技术方案。以下详细说明实现的原理：

根据图3，求超声换能器的等效阻抗：

其中：

则换能器的等效电阻和等效电抗分别为：

R_T与X_T满足关系：

可见，换能器的等效电阻和等效电抗在复平面上构成一个圆，称为阻抗圆，如图5所示。阻抗圆圆心坐标为半径为

根据公式(2)，当时，对应阻抗圆(图5)上电阻最大点B，称此频率为换能器的并联谐振频率，记为：

根据图5，在坐标系原点O和B点之间连线，该连线与阻抗圆的交点记为A，该连线与坐标系横轴的夹角记为θ。则

根据图5，换能器在A点的电阻和电抗分别为

根据图3，当时，换能器的机械支路发生串联谐振，称此频率为换能器的机械谐振频率，也称为换能器的串联谐振频率，记为：

根据图3，当换能器在机械谐振频率点激振时，换能器的等效电阻和等效电抗为：

式(8)中，ω_s为换能器的机械谐振角频率。

由于ω_p≈ω_s，则R(A)≈R(ω_s)，X(A)≈X(ω_s)，所以，阻抗圆上A点即近似为换能器的机械谐振频率点。

换能器为容性负载，要使超声电源输出的电能有效地转换为换能器的机械振动，需要在超声电源和换能器之间串联一个适当大小的电感，当超声电源对换能器激振时，串联电感和换能器的容抗发生耦合谐振，称这种谐振为阻抗匹配，如图3所示。其中，超声电源输出电压为U_o，L_S为串联可调匹配电感，U_T为超声换能器两端激振电压，X_T为超声换能器等效电抗，R_T为超声换能器等效电阻。串联电感L_S与换能器的电抗X_T满足如下关系：

ωL_S+X_T＝0>

超声电源为开关电源，输出电压为方波信号，且只有几十伏，而换能器要求的激振电压为几百伏，且为正弦波信号。这就要求匹配电感和换能器构成的串联谐振回路的耦合谐振品质因数Q_e足够高，在对换能器内部容抗X_T进行匹配的同时，对超声电源输出电压U_o进行升压和滤波，使最终加到换能器两端的激励电压为高压正弦波信号。

匹配电感Ls和换能器内部容抗X_T的耦合谐振品质因数为

则超声换能器两端激振电压为：

如图6所示，在阻抗圆上做一条X_T＝-ωL_s的线，称为感抗线，感抗线与阻抗圆有两个交点：K和N。其中，K点即为换能器的激振工作点。当换能器和匹配电感在N点耦合谐振时，因品质因数小，换能器无法正常工作，因而N点在本发明中不予考虑。

当K点位于换能器的机械谐振频率点A时，耦合谐振品质因数

则换能器两端的激振电压

无法满足换能器激振电压要求。并且由于耦合谐振品质因数低，滤波效果差，换能器激振电压中含有大量的高次谐波，造成换能器的振动中含有非理想的振动模态。

增大匹配电感值Ls，则感抗线下移，工作点K沿阻抗圆向左下方移动。如图6所示，在阻抗圆的左下方的一段区域，因偏离换能器的固有机械谐振频率点A，称之为换能器的偏固有机械谐振区。根据公式(10)，换能器在偏固有机械谐振区耦合谐振时，耦合谐振品质因数增大，升压和滤波效果明显提高，使换能器两端的激振电压为高压正弦波，满足超声换能器的激振要求，此频段即为换能器的最佳激振频率段。当K点确定后，匹配电感的值可由下式求得：

实验例

采用阻抗分析仪对机械谐振频率为26712Hz的某超声换能器在24KHz-30KHz频率范围内扫频，扫频点数1600点，测得该换能器在该频段内的电阻R与电抗X；计算机程序由测得的电阻R与电抗X的值绘制阻抗圆，如图7所示。根据图7可知，越往左，换能器的阻抗特性越稳定，换能器在振动时的抗变载能力越强，振动就越稳定。控制器程序分析得出最小电抗X所在的点，并计算该频率下电抗X与电阻的比值绝对值K_min；计算各频率电抗X与电阻R的比值并存储，与最大电阻对应频率下电抗与电阻比值相同的点，即为换能器的机械谐振频率点，存储该点频率f_s＝26712Hz。控制器程序筛选出电抗X与电阻R比值绝对值大于K_minx，小于设定的比值绝对值最大值K_max的点，并存储输出筛选出的各点频率值。

根据图4，用恒功率超声电源串联可调匹配电感，从采用该发明方法中筛选出的频率作为工作频率对换能器进行激振。

调节匹配电感的值，当换能器与匹配电感在换能器的机械谐振频率(f＝26712Hz)下耦合谐振时，用双踪示波器测得换能器的激振电压和电流如图8a所示，用激光测振仪测得换能器的端面振幅如图8b所示。根据图8a，超声换能器激振电压有效值为200V，波形杂乱；根据图7，超声换能器端面振幅仅为6.5um。

调节匹配电感的值，当换能器与匹配电感在f＝25600Hz耦合谐振时，用双踪示波器测得换能器的激振电压和电流如图9a所示，用激光测振仪测得换能器的端面振幅如图9b所示。根据图9a，超声换能器激振电压有效值升高为700V，波形为较纯净的正弦波；根据图9b，超声换能器端面振幅为15.3um。

调节匹配电感Ls的值，在24000Hz-30000Hz范围内，每间隔50Hz对换能器进行恒功率耦合谐振，测得不同耦合谐振频率下换能器的振幅。可知，换能器在25450Hz-25850Hz、27800-28100范围内耦合谐振时，换能器的振动都很强烈，振幅都超过其最大振幅的70％，而在这个范围外，振动幅度就迅速减少。频段25450Hz-25850Hz和27800-28100即为该换能器的偏固有机械谐振区。根据本发明的另一方面，本发明实施例还提供一种超声换能器激振频率选择装置，该装置包括可：处理器和存储器，所述存储器用于存储指令，所述处理器执行所述存储中存储的指令，具体包括：

针对待处理的超声换能器，根据所述超声换能器的参数，确定所述超声换能器的扫频范围；

根据所述扫频范围内的每一个频率节点，获取每一个频率节点下所述超声换能器的电阻和电抗值；

根据所述扫频范围内的每一个频率节点的电阻、电抗值，确定用于筛选超声换能器工作频率的筛选临界条件；

根据筛选规则和所述筛选临界条件，从所述扫频范围中筛选出至少一个频率节点作为激励超声换能器的超声换能器工作频率。

例如，处理器还用于：根据所述超声换能器的导纳参数，获取所述超声换能器的机械谐振频率；

根据所述机械谐振频率和预设频率阈值，确定所述超声换能器的扫频范围。

在具体实现过程中，处理器还用于，获取每一个频率节点对应的电抗与电阻的比值，以及获取最小电抗对应的频率点电抗与电阻的比值作为第一比值；将第一比值的绝对值作为筛选临界条件Kmin。

在另一可选的实现方式中，上述的处理器还用于：将所有频率节点对应的比值绝对值超出所述筛选临界条件Kmin和另一临界条件Kmax的频率节点去除，剩余的频率节点为筛选的作为激励超声换能器的超声换能器工作频率的节点；

其中，另一临界条件Kmax为预先设定的比值绝对值的最大值。

本实施例的超声换能器激振频率选择装置可执行上述方法实施例的内容，参见上述描述，该处不再详述。

此外，在实际应用中，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如方法实施例中任意所述的步骤，参见上述描述，该处不再详述。

上述各个实施例可以相互参照，本实施例不对各个实施例进行限定。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。