技术领域
[0001] 本
发明涉及压电技术领域，具体涉及一种非正弦周期谐振的压电振子。
背景技术
[0002] 压电振子利用压电材料的逆
压电效应，在交流
电压的激励下产生弹性结构的微幅振动，当交流电压的激励
频率与压电振子振动模态的固有频率一致时，压电振子进入谐振状态，高频正弦振动的幅值获得极大的提高，从而具有极强的功率驱
动能力。因此，工作在谐振状态的压电振子在
超声雾化器、超声手术刀、超声
马达等压电功率器件上得到广泛的应用。
[0003] 近年来，多项
专利申请涉及具有非正弦周期谐振功能的压电振子。专利申请CN106899229A，名称为“一种谐振冲击式压电旋转马达”，由压电扭转圆管、金属圆管和金属套筒构成压电复合
定子，利用金属套筒调整压电复合定子的一阶扭转振动固有频率和三阶扭转振动固有频率满足1：2关系，从而合成谐振状态下的近似
锯齿波振动。专利申请CN106602927A，名称为“一种谐振方波同步钳位压电直线马达”，在三
角形板顶部设有频率调整
块和频率调整孔，调整三角形板第一阶弯曲振型频率和第二阶弯曲振型频率满足1：3关系，从而合成谐振状态下的近似方波振动。上述新型压电马达将传统冲击式和尺蠖式压电马达的驱动频率从准静态
频率范围扩展到谐振频率，功率驱动能力获得极大的提升。
[0004] 上述具有非正弦周期谐振功能的压电振子是构成新型压电功率驱动马达的关键部件，然而上述压电振子两个振动模态的固有频率需满足特定的比例关系，而两个振动模态的固有频率在传统结构下难以满足所需的比例关系，固有频率的调整结构和匹配方法仍然是上述新型压电功率驱动马达发展的难点。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术的不足，本发明的目的是提供一种非正弦周期谐振的压电振子，存在两个有效的固有振动模态，可以通过可靠的固有频率调整结构和匹配方法，实现两个固有频率的比值满足1：2或1：3的关系。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0007] 一种非正弦周期谐振的压电振子，其特征在于：包括基体、
质量体、U形
支架、支承支架、弯曲支架和压电片；
[0008] 所述基体的左侧设置有U形支架A，质量体A通过内部的支承支架A和外部的弯曲支架A与U形支架A的两臂连接，弯曲支架A的外侧面粘贴有压电片A；
[0009] 所述基体的右侧设置有U形支架B，质量体B通过内部的支承支架B和外部的弯曲支架B与U形支架B的两臂连接，弯曲支架B的外侧面粘贴有压电片B。
[0010] 所述质量体、U形支架、支承支架在基体左右两侧对称设置，质量体A和质量体B的质量相等，U型支架A和U形支架B的
刚度相等，支承支架A和支承支架B的刚度相等；
[0011] 所述基体的内部对称设置有镂空通孔，调整基体的质量为质量体质量的2～4倍；
[0012] 所述弯曲支架A和弯曲支架B的刚度不等，弯曲支架B的厚度为弯曲支架A厚度的2～6倍。
[0013] 本发明中，压电振子存在两个有效的固有振动模态，即一阶横向振动模态和二阶横向振动模态。在基体的质量是质量体质量2～4倍的情况下，调整弯曲支架B的厚度是弯曲支架A厚度的2～6倍范围内，可获得一阶横向振动模态和二阶横向振动模态的固有频率比值为1：2或1：3。
[0014] 与已有技术相比，本发明的优点为：质量体A和质量体B的质量相等，与基体质量的比值不变，通过调整弯曲支架的厚度改变结构的刚度，从而获得所需的固有频率比值，固有频率及其比值的变化趋势明确，压电振子整体结构在频率匹配过程中保持紧凑的结构尺寸。
附图说明
[0015] 图1为本发明压电振子的结构示意图；
[0016] 图2为本发明压电振子的一阶横向振动模态；
[0017] 图3为本发明压电振子的二阶横向振动模态；
[0018] 图4为本发明压电振子的固有频率随弯曲支架厚度比值的变化曲线；
[0019] 图5为本发明压电振子的固有频率比值随弯曲支架厚度比值的变化曲线；
[0020] 图6为本发明压电振子谐振状态下合成近似锯齿波振动
波形；
[0021] 图7为本发明压电振子谐振状态下合成近似方波振动波形。
具体实施方式
[0022] 下面将结合本发明
实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023] 如图1所示，一种非正弦周期谐振的压电振子，包括基体1、质量体2、U形支架3、支承支架4、弯曲支架5和压电片6；
[0024] 所述基体1的左侧设置有U形支架A 3-1，质量体A 2-1通过内部的支承支架A 4-1和外部的弯曲支架A 5-1与U形支架A 3-1的两臂连接，弯曲支架A 5-1的外侧面粘贴有压电片A 6-1；
[0025] 所述基体1的右侧设置有U形支架B 3-2，质量体B 2-2通过内部的支承支架B 4-2和外部的弯曲支架B 5-2与U形支架B 3-2的两臂连接，弯曲支架B 5-2的外侧面粘贴有压电片B 6-2；
[0026] 所述质量体2、U形支架3、支承支架4在基体1左右两侧对称设置，质量体A 2-1和质量体B 2-2的质量相等，U型支架A 3-1和U形支架B 3-2的刚度相等，支承支架A 4-1和支承支架B 4-2的刚度相等；
[0027] 所述基体1的内部对称设置有镂空通孔7，调整基体1的质量为质量体2质量的2～4倍；
[0028] 所述弯曲支架A 5-1和弯曲支架B 5-2的刚度不等，弯曲支架B 5-2的厚度为弯曲支架A 5-1厚度的2～6倍。
[0029] 具体工作过程及原理：
[0030] 由傅里叶变换原理，非正弦周期的波形可认为是基频
正弦波及其高次谐波的
叠加，如锯齿波、方波的傅里叶变换可以分别表示为
[0031]
[0032]
[0033] 其中A为锯齿波、方波的幅值，f为频率。
[0034] 新型压电功率驱动马达将传统冲击式和尺蠖式压电马达的驱动频率从准静态频率范围扩展到谐振频率，是利用压电振子的多个固有振动模态，谐振状态下合成近似锯齿波或近似方波，提高压电振子的驱动频率和振幅，从而极大地提高压电马达的功率驱动能力。
[0035] 如图2、3所示，所述压电振子存在两个有效的固有振动模态，即一阶横向振动模态图2和二阶横向振动模态图3。一阶横向振动模态中，基体1和质量体B 2-2与质量体A 2-1的振动方向相反；二阶横向振动模态中，基体1与质量体A 2-1和质量体B 2-2的振动方向相反。
[0036] 一阶横向振动模态中，弯曲支架A 5-1存在较大的应变，因此使用压电片A 6-1激励一阶横向振动模态可获得较大的谐振幅值；二阶横向振动模态中，弯曲支架B 5-2存在较大的应变，因此使用压电片B 6-2激励二阶横向振动模态可获得较大的谐振幅值。
[0037] 两个振动模态的固有频率与压电振子基体1、质量体2的质量以及U形支架3、支承支架4、弯曲支架5的刚度有关，改变压电振子各部分的质量或刚度，可以改变两个振动模态的固有频率，从而调整固有频率的比值。
[0038] 如图4所示，当基体1的质量是质量体2质量的3倍时，随着弯曲支架B 5-2厚度的增加，一阶横向振动模态的固有频率基本保持不变，二阶横向振动模态的固有频率快速增加。如图5所示，当弯曲支架B 5-2的厚度和弯曲支架A 5-1的厚度相等时，两个振动模态的固有频率比值约为1.6，而随着弯曲支架B 5-2厚度的增加，两个振动模态的固有频率比值逐渐增大，当弯曲支架B 5-2的厚度是弯曲支架A 5-1厚度的2.8倍时，两个振动模态的固有频率比值约为1：2，而当弯曲支架B 5-2的厚度是弯曲支架A 5-1厚度的5.2倍时，两个振动模态的固有频率比值约为1：3。在基体1的质量是质量体2质量2～4倍的情况下，调整弯曲支架B
5-2的厚度为弯曲支架A 5-1厚度的2～6倍范围内，可获得一阶横向振动模态和二阶横向振动模态的固有频率比值为1：2或1：3。
[0039] 如图6所示，一阶横向振动模态的固有频率为f，二阶横向振动模态的固有频率为2f，压电片A 6-1施加f频率的正弦电压，基体1产生x幅值、f频率的正弦振动，压电片B 6-2施加2f频率的正弦电压，基体1产生x/2幅值、2f频率的正弦振动，则压电片A 6-1和压电片B
6-2同时施加上述电压时，基体1两个频率的正弦振动合成近似锯齿波谐振。
[0040] 如图7所示，一阶横向振动模态的固有频率为f，二阶横向振动模态的固有频率为3f，压电片A 6-1施加f频率的正弦电压，基体1产生x幅值、f频率的正弦振动，压电片B 6-2施加3f频率的正弦电压，基体1产生x/3幅值、3f频率的正弦振动，则压电片A 6-1和压电片B
6-2同时施加上述电压时，基体1两个频率的正弦振动合成近似方波谐振。
