طراحی، ساخت و مطالعه رفتار ترانسدیوسر پیچشی مگنتواستریکتیو

ترانسدیوسرهای آلتراسونیک امروزه به شکل گسترده ای در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. اکثر ترانسدیوسرهای آلتراسونیک مورد استفاده در صنعت، از نوع طولی و پیزوالکتریکی هستند. با توسعه موتورهای آلتراسونیک، جوشکاری پلاستیک ها و آزمونهای های خستگی سرعت بالا در سالهای اخیر، نیاز به ترانسدیوسرهای پیچشی بوجود آمده است. ترانسدیوسرهای پیچشی موجود، یا از پیزوالکتریکهای پیچشی استفاده می کنند و یا از تبدیل ارتعاشات طولی به ارتعاشات پیچشی توسط ساختارهای خاص مکانیکی بهره می برند. در این رساله یک نوع جدید از ترانسدیوسرهای پیچشی ارائه می شود، که در آن یک ماده مگنتواستریکتیو به عنوان هسته ترانسدیوسر، به شکل پیچشی ارتعاش می کند. این نوع ترانسدیوسر شامل یک هورن مگنتواستریکتیو، یک قطعه پشت بند و یک محفظه در بر گیرنده است. با اعمال همزمان یک میدان مغناطیسی محوری و یک میدان مغناطیسی محیطی به ترانسدیوسر ، از اثر ویدمن در مواد مگنتواستریکتیو برای ایجاد پیچش استفاده می شود. این نوع ترانسدیوسر ضمن سادگی، کاهش وزن و هزینه در ساخت، امکان استفاده از دانسیته توان بالای مواد مگنتواستریکتیو را در ترانسدیوسرهای پیچشی رزونانسی، به دست می دهد. در این تحقیق در ابتدا روابط پیزومگنتیک مواد مگنتواستریکتیو در مختصات استوانه ای بیان شده و سپس با معادلات ارتعاشات مکانیکی ماده در هم آمیخته شده است و معادله دیفرانسیل کلی حاکم بر سیستم استخراج شده است. سپس یک ترانسدیوسر پیچشی مگنتواستریکتیو با استفاده از روابط تئوری، طراحی شده و فرکانس رزونانس و شکل مود طبیعی آن در نرم افزار ansys10 به طور عددی صحه گذاری شده است. برای تخمین تئوری رفتار ترانسدیوسر از تکنیک مدار معادل استفاده شده است. بازده استاتیکی و دینامیکی ترانسدیوسر نیز مورد بررسی قرار گرفته است. بعد از ساخت ترانسدیوسر، نقطه کار بهینه عملکرد آن، شامل مقادیر بهینه میدانهای مغناطیسی محوری و محیطی، و پیش بار پیچشی، جهت افزایش دامنه نوسان پیچشی بدست آمده است. با توجه به اعمال دو میدان محوری و محیطی به ترانسدیوسر، امکان نوسان همزمان ماده به شکل طولی و پیچشی وجود دارد. لذا از این خصوصیت مواد مگنتواستریکتیو جهت ساخت یک ترانسدیوسر هیبریدی طولی-پیچشی با هورن نمایی نیز استفاده شده است. در این ترانسدیوسر هیبریدی، یک هورن نمایی به گونه ای طراحی شده که فرکانس مود اول طولی و مود اول پیچشی آن بر هم منطبق شود. سپس فرکانس طبیعی و شکل مود آن به طور عددی صحه گذاری شده و یک نمونه ترانسدیوسر هیبریدی طولی-پیچشی بر اساس طراحی، ساخته شده است. فرکانس رزونانس و دامنه ارتعاشات طولی و پیچشی ترانسدیوسر به لحاظ تجربی بررسی شده است. آزمایش های انجام شده امکان استفاده از این نوع جدید از ترانسدیوسرهای پیچشی و هیبریدی طولی-پیچشی را در کاربردهای صنعتی مانند جوشکاری پلاستیک ها، فرایندهای ماشینکاری مانند سوراخکاری و قلاویزکاری به کمک ارتعاشات پیچشی ویا طولی-پیچشی، تحریک پیچشی قطعات جهت انجام آنالیز مودال و یا ساخت موتورهای آلتراسونیک نشان می دهد.