专利摘要

本发明涉及一种可实现一端输入多端输出的纵振动变换器，该纵振动变换器是由依次连接的输入杆、变换体以及输出杆组成，变换体与输出杆相对的一端面呈平面或半球面结构，在其外表面设置的输出杆是至少3个，各输出杆在同一圆周上平均分布且其中心轴交点分布在输入杆的中心轴上；本发明可实现一端纵振动输入多个方向上纵振动输出，可以达到多个输出端同时作用于处理对象的目的，实现大面积对流体进行超声辐射的应用，提高超声处理效率，节省生产成本，此外，本发明结构设计简单，更换拆装方便，还可以根据实际应用灵活选择输出杆的个数及方向，适于大范围推广应用。

权利要求

1.一种可实现一端输入多端输出的纵振动变换器，该纵振动变换器是由依次连接的输入杆(1)、变换体(2)以及输出杆(3)组成，其特征在于：所述变换体(2)与输出杆(3)相对的一端面呈平面或半球面结构，在其外表面设置的输出杆(3)是至少3个，各输出杆(3)在同一圆周上平均分布且其中心轴交点分布在输入杆(1)的中心轴上，各个输出杆(3)的直径、长度相等；

上述输入杆(1)的端面处满足：纵向力为零的自由边界条件；输出杆(3)的端面处满足：纵向力、横向力和力矩为零的自由边界条件；在输入杆(1)与变换体(2)连接处满足：纵位移、纵向力连续，变换体(2)与各输出杆(3)连接处的位移和转角对应连续，并且变换体(2)输出端的纵向力对应为各输出杆(3)的纵向力、横向力之和。

2.根据权利要求1所述的可实现一端输入多端输出的纵振动变换器，其特征在于：所述变换体(2)的结构是半球体。

3.根据权利要求2所述的可实现一端输入多端输出的纵振动变换器，其特征在于：所述输入杆(1)的长度l1与各输出杆(3)的长度l3以及变换体(2)沿纵振动传递方向上的线度l2之和满足：l1+l2+l3＜λ，λ为该纵振动变换器的纵振动频率所对应的波长。

4.根据权利要求2所述的可实现一端输入多端输出的纵振动变换器，其特征在于：所述输入杆(1)的直径、输出杆(3)的直径以及变换体(2)沿垂直于纵振动传递方向上的线度均小于该振动变换器的纵振动频率所对应的四分之一波长。

说明书

技术领域

本发明属于超声波纵振动系统设计技术领域，特别涉及一种可实现一端输入多端输出的纵振动变换器。

背景技术

超声纵振动系统包括超声换能器、变幅杆及工具头，传统的一套超声纵振动系统中，一个换能器只能连接一套变幅杆及工具头，因而也只能有一个输出端对处理对象进行处理，再则，如超声凝聚、超声除泡、超声除尘等一些应用中，需要对流体进行大功率大面积、全方位地超声辐射应用时，需要应用多套传统的超声纵振动系统，使得工作效率难以保证，而且能耗较大。

发明内容

针对上述现有技术所存在不足，本发明提供了一种可实现一端输入、多端输出达到多个输出端对多个处理对象同时进行处理以提高工作效率的纵振动变换器。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：该纵振动变换器是由依次连接的输入杆、变换体以及输出杆组成，所述变换体与输出杆相对的一端面呈平面或半球面结构，在其外表面设置的输出杆是至少3个，各输出杆在同一圆周上平均分布且其中心轴交点分布在输入杆的中心轴上；

上述输入杆的端面处满足：纵向力为零的自由边界条件；输出杆的端面处满足：纵向力、横向力和力矩为零的自由边界条件；在输入杆与变换体连接处满足：纵位移、纵向力连续，变换体与各输出杆连接处的位移和转角对应连续，并且变换体输出端的纵向力对应为各输出杆的纵向力、横向力之和。

上述各个输出杆的直径、长度相等。

上述变换体的结构是半球体，使得各个输出杆上的纵振动分布均匀。

上述输入杆的长度l1与各输出杆的长度l3以及变换体沿纵振动传递方向上的线度l2之和满足：l1+l2+l3＜λ，λ为该纵振动变换器的纵振动频率所对应的波长。

上述输入杆的直径、输出杆的直径以及变换体沿垂直于纵振动传递方向上的线度均小于该纵振动变换器的纵振动频率所对应的四分之一波长。

本发明的可实现一端输入多端输出的纵振动变换器，其是通过变换体将一个输入杆与多个输出杆耦连为一体，并且多个输出杆在变换体的输出端面空间上均匀分布，可实现一端纵振动输入多个方向上纵振动输出，可以达到多个输出端同时作用于处理对象的目的，实现大面积对流体进行超声辐射的应用，提高超声处理效率，节省生产成本，此外，本发明结构设计简单，更换拆装方便，还可以根据实际应用灵活选择输出杆的个数及方向，适于大范围推广应用。

附图说明

图1为纵振动变换器的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

实施例1

由图1可知，本实施例的可实现一端输入多端输出的纵振动变换器是由输入杆1、变换体2以及输出杆3连接构成。

其中，输入杆1与变换体2连接，本实施例的变换体2是一个半球体结构，其球面的半径r2＝20mm，平面端与输入杆1连接，在球面端上用螺纹方式连接有3个输出杆3，分别为第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆，3个输出杆3在同一个圆周上均匀分布，且相互之间形成120°的夹角，第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆的中心轴交点分布在输入杆1的中心轴上且其中心轴与输入杆1的中心轴之间形成的夹角θ为45°。

设定三个自然坐标系，其分别沿着输入杆1、变换体2与第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆的轴线方向，以变换体2与各输出杆3的中心轴连接点为原点，设定输入杆1的长度为l1，直径为r1，变换体2沿纵振动传递方向上的线度为l2，即l2＝r2，第一输出杆、第二输出杆以及第三输出杆的长度均为l3，半径均为r3。

上述输入杆1的端面处满足：纵向力为零的自由边界条件；输出杆3的端面处满足：纵向力、横向力和力矩为零的自由边界条件；在输入杆1与变换体2连接处满足：纵位移、纵向力连续，变换体2与各输出杆3连接处的位移和转角对应连续，并且变换体2输出端的纵向力对应为各输出杆3的纵向力、横向力之和。

ε2|x＝0＝ε3|x＝0cosθ+η3|x＝0sinθ (13)

ε2|x＝0＝ε4|x＝0cosθ+η4|x＝0sinθ (14)

ε2|x＝0＝ε5|x＝0cosθ+η5|x＝0sinθ (15)

Fl2|x＝0＝Fl3|x＝0cosθ+Ff3|x＝0sinθ+Fl4|x＝0cosθ+Ff4|x＝0sinθ+Fl5|x＝0cosθ+Ff5|x＝0sinθ (16)

-ε3|x＝0sinθ+η3|x＝0cosθ＝0 (17)

-ε4|x＝0sinθ+η4|x＝0cosθ＝0 (18)

-ε5|x＝0sinθ+η5|x＝0cosθ＝0 (19)

φ3|x＝0＝0 (20)

φ4|x＝0＝0 (21)

φ5|x＝0＝0 (22)

其中，ε1为输入杆1的纵向位移，m；ε2为变换体2的纵向位移，m；

ε3、ε4、ε5分别第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆的纵向位移，m；

η3、η4、η5分别为第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆的横向位移，m；

Fl1为输入杆1所受的纵向力，N；Fl2为变换体2所受的纵向力，N；

Fl3、Fl4、Fl5分别为第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆所受的纵向力，N；

Ff3、Ff4、Ff5分别为中第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆所受的横向力，N；

φ3、φ4、φ5分别为第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆以各自的中心轴为基准的转角；

M3、M4、M5分别为第一输出杆、第二输出杆、第三输出杆所受的力矩，N·m；

本实施例以输入杆1、变换体2以及各输出杆3均选用45#钢材料，其杨氏模量E＝21.6×1010N/m2，密度ρ＝7800kg/m3为例，其他各部件的尺寸如下表1所示，用上述方法计算该纵振动变换器的纵振动频率fa，计算结果具体如下表1：

表1 已知各部件尺寸所对应的振动频率

编号1]]>1]]>2]]>3]]>3]]>θa(Hz)]]>1557.520557.545215602507.520507.545235133505205054523844

实施例2

本实施例的可实现一端输入多端输出的纵振动变换器是由输入杆1、变换体2以及6个输出杆3连接构成。

具体：输入杆1与变换体2连接，本实施例的变换体2是一个半球体结构，其平面端与输入杆1连接，球面的半径r2＝20mm，在球面上用螺纹方式连接有6个输出杆3，6个输出杆3在用一个圆周上均匀分布，且相互之间形成60°的夹角，6个输出杆3的中心轴交点分布在输入杆1的中心轴上且其中心轴与输入杆1的中心轴之间形成的夹角θ为45°。

设定六个自然坐标系，其沿着分别输入杆1、变换体2与6个输出杆3的轴线方向，以变换体2与各输出杆3的中心轴连接点为原点，设定输入杆1的长度为l1，直径为r1，变换体2沿纵振动传递方向上的线度为l2，即l2＝r2，各个输出杆3的长度均为l3，半径均为r3。

本实施例的纵振动变换器的设计按照下述进行：

上述输入杆1的端面处满足：纵向力为零的自由边界条件；各输出杆3的端面处满足：纵向力、横向力和力矩为零的自由边界条件；在输入杆1与变换体2连接处满足：纵位移、纵向力连续，变换体2与各输出杆3连接处的位移和转角对应连续，并且变换体2输出端的纵向力对应为各输出杆3的纵向力、横向力之和。

本实施例以输入杆1、变换体2以及各输出杆3均选用45#钢材料，其杨氏模量E＝21.6×1010N/m2，密度ρ＝7800kg/m3为例，其他各部件的尺寸如下表2所示，用上述方法计算该纵振动变换器的纵振动频率fa，计算结果具体如下表2：

表2 各部件尺寸所对应的振动频率

编号1]]>1]]>2]]>3]]>3]]>θa(Hz)]]>1557.520557.545216002507.520507.545235553505205054523918

实施例3

本实施例的变换体2是一个直径为40mm，厚度为25mm的圆柱体结构，即其与输出杆3的连接端面是平面，在该平面上用螺纹方式连接有4个输出杆3，4个输出杆3在同一个圆周上均匀分布，且相互之间形成90°的夹角，4个输出杆3的中心轴交点分布在输入杆1的中心轴上且其中心轴与输入杆1的中心轴之间形成的夹角θ为45°。

其他的部件及连接关系以及设计方法与实施例1相同。

本实施例以输入杆1、变换体2以及各输出杆3均选用45#钢材料，其杨氏模量E＝21.6×1010N/m2，密度ρ＝7800kg/m3为例，其他各部件的尺寸如下表3所示，用上述方法计算该纵振动变换器的纵振动频率fa，计算结果具体如下表3：

表3 已知各部件尺寸所对应的振动频率

编号1]]>1]]>2]]>2]]>3]]>3]]>θa(Hz)]]>1557.52025557.545228472507.52025507.54524654350520255054525378

实施例4

本实施例的变换体2是一个圆柱体结构，其与输出杆3的连接端面是半球面，即本实施例的变换体2由直径为40mm、厚度为10mm的圆柱体和一个直径为40mm的半球体拼接构成，在变换体2的输出端面上用螺纹方式连接有3个输出杆3，3个输出杆3在用一个圆周上均匀分布，且相互之间形成120°的夹角，3个输出杆3的中心轴交点分布在输入杆1的中心轴上且其中心轴与输入杆1的中心轴之间形成的夹角θ为60°。

其他的部件及连接关系以及设计方法与实施例1相同。

本实施例以输入杆1、变换体2以及各输出杆3均选用45#钢材料，其杨氏模量E＝21.6×1010N/m2，密度ρ＝7800kg/m3为例，其他各部件的尺寸如下表4所示，用上述方法计算该纵振动变换器的纵振动频率fa，计算结果具体如下表4：

表4 已知各部件尺寸所对应的振动频率

编号1]]>1]]>3]]>3]]>θa(Hz)]]>1557.5557.560231922507.5507.5602678535055056028365

为了验证本发明的可行性，将本发明的计算值与试验测试值进行比较，结果如下：

用m+p VibPilot系统，发射用压电陶瓷的厚度为1mm，直径为10mm，拾振器为北京测振仪器厂生产的型号为YD-8型压电式传感器，对实施例1的的纵振动变换器的纵振动频率进行测试，将上述实施例1的计算值与实验测试值进行对比，结果如下表5所示：

表5 为实验测试值与本发明的计算值对比

注：表中下标a为本发明计算值，tm为实验测试值。本发明计算值与实验测试值的误差为Δ1＝|(fa-ftm)/ftm|。

通过上述表5可以看出，本发明的计算值与试验测试值相比较，误差较小，说明本发明的纵振动变换器的设计方法可行并且结果可靠。

本实施例的输出杆3的个数以及输出杆3的中心轴与输入杆1的中心轴之间的夹角θ可以在30～150°的范围内根据实际应用需要进行调节。

可实现一端输入多端输出的纵振动变换器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。