The bar horn is designed to increase uniformity of the displacement on the output face through simulation and experiments. Three-dimensional modal analysis is conducted using the finite element method to calculate the vibration mode and displacement on the output face, and the design of experiment (DOE) technique is employed to determine the optimum dimensions of the groove and slot so that the high amplitude uniformity of the bar horn is produced. Displacement of the bar horn was measured using the Laser Doppler Vibrometer (LDV), and the experimental results show good agreements with the predicted results. High uniformity of the bar horn is achieved with the dimensions of the groove and slot determined using the design equations.
본 연구에서는 초음파 용접기의 진동에너지를 모재에 전달하는 금속 용접용 혼의 형상설계를 위해 해석적 기법을 적용하였으며, 20kHz 영역에서 사용되는 한파장 바 형상을 갖는 용접용 혼의 형상설계를 위해 FEM(Finite Element Method)을 사용하였다. 봉의 종진동 이론을 Ansys APDL(Ansys Parametric Design Language)에 적용하여 혼의 형상을 최적화하였다. 적절한 혼의 형상을 도출하기 위해 진동의 입력면과 출력면의 면적비와 혼의 축방향 길이비를 이용하여 총 25가지의 모델을 설계하였으며, Modal 해석과 Harmonic 해석을 통해 균일한 진동특성을 확보하고자 하였다. 스텝 바혼의 끝단부(팁)의 균일도 90%이상을 확보하기 위해 Harmonic 해석을 통해 길이비, 면적비를 결정하였고 이에 따라 혼의 총길이 130mm, 스텝 길이 65mm, 출력단 면적 28.79mm의 혼을 설계하였다. 설계치수를 바탕으로 Titanium (Ti-6Al-4V)-GR5 재료를 이용하여 혼을 제작하였다. 또한, 별도로 구성된 초음파 용접시스템을 이용하여 혼의 끝단부의 진동 진폭률 및 변위특성을 평가하였다. 최적화된 혼의 진폭률은 51%까지 향상됨을 확인하였다. 최종적으로 균일한 종방향 스텝 바혼을 설계하였으며, 끝단부(팁)의 균일도 97.4%이상을 확보하였다.
Seo, Dae-Won;Lee, Seung-Hee;Kim, Hyo-Chul;Oh, Jung-Keun
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제2권2호
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pp.104-111
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2010
The complete avoidance of cavitation, as a result of gap flow between the fixed and movable portion of a horn type rudder system, is difficult. To reduce gap flow, it is a common practice to attach a half round prismatic bar that protrudes beyond the concave surface of the horn facing the gap and laid along the centerplane of the rudder. However the employment of such a device does not always yield satisfactory results. Previously, the authors have shown that a pair of blocking bars, attached on the convex surface of the movable portion, better enhance the blocking ability of gap flow to that of a single centre bar installed on the concave surface. This also circumvents difficulties that might occur in practical applications. In the present study, a series of numerical computations show that flow injected into the gap of a rudder may also block the flow within, without employment of any physical devices, such as a half circular bar. This study also shows that the combination of flow injection and blocking bars may result in the synergic augmentation of blocking efficiency of gap flow, as demonstrated in computations for a three dimensional rudder system.
본 논문에서는 다중 편파 및 3:1 이하의 대역폭을 갖는 광대역 혼 안테나 설계 기법을 제시하였다. 급전단은 다중 편파 및 광대역 구현을 위하여 4중 릿지(Quadruple Ridge) 형태의 도파관을 적용하였으며, 반구(Semisphere) 형태의 백 쇼(Back Short)를 갖는 캐비티 구조내에 쇼팅 바(Shorting Bar)를 삽입함으로써 반사손실을 최소화하였다. 안테나 개구면에서의 위상보정을 통해 안테나 범 패턴을 개선시키기 위하여 주름진 형태의 유전체 렌즈를 설계하였다. 설계 기법을 기반으로 제작된 얀테나의 측정결과를 제시함으로써 설계 방법의 타당성을 겸증하였다.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제4권2호
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pp.71-82
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2012
In recent practices, a half circular prismatic bar protruding beyond the concave surface of the horn facing the gap has been formed along the centerplane of a rudder to lessen the gap flow between the horn and the movable portion of the rudder system. If a flow through the gap of a rudder is reduced considerably through this approach, previous numerical studies indicate that not only the gap flow but also the rudder cavitation can be noticeably diminished. In the present study, numerical simulations on two-dimensional rudder sections were performed to show that the blocking ability of the single centre bar can be improved by the proper choice of sectional shape. Moreover, a pair of blocking bars attached symmetric to the centerplane on the opposite convex surface of the movable portion is suggested in the study as well, to circumvent the difficulties arising from the practical application of the single centre bars. The bars are placed near the outer edges of the gap easily accessible at the maximum rudder angle to allow simple installation of the device during a maintenance period of a ship. It is found that the pair of blocking bars further improves the blocking effects and application to a practical three-dimensional rudder also backs up the fact.
The Ultrasonic metal welding is used in the solid-phase welding method at room temperature or low temperature state. In welding process, the high frequency vibration energy is delivered to the welding part under the constant pressure for welding. In this study, we aimed to design and manufacture a 40,000 Hz band horn through finite element analysis. By performing modal analysis and harmonic response analysis, the modal analysis result is that the horn frequency was 39,599Hz and the harmonic response result that the horn frequency was 39,533Hz. These results were similar. In order to observe the designed horn's performance, about 4,000 voltage data was obtained from a light sensor and was analyzed by FFT analysis using Origin Tool. The result RMS amplitude was approximately $8.5{\mu}m$ at 40,000Hz, and maximum amplitude was $12.3{\mu}m$. Using this manufactured horn along with an ultrasonic metal welder and tension tester, the weldability of Cu sheets was evaluated. The maximum tensile force was 66.53 N in the welding condition of 2.0 bar pressure, 60% amplitude, and 0.32 s welding time. In excessive welding conditions, it was revealed that weldability is influenced negatively.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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제5권2호
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pp.61-65
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2004
Bolt-tightened Langevin type vibrators using longitudinal mode of bar were designed and fabricated. In order to amplify the displacement of the tip of the vibrators, stacked ceramics were used and five different shapes of the horns were designed and jointed. Resonant frequencies and vibration characteristics of vibrators and horns were analyzed by ANSYS(finite element analysis computer program), and the displacements of tips of the horns were measured. As results, when the numbers of the stacked ceramics were increased, the displacements of the tips were increased and the driving voltages were decreased. Step l horn (BLT-St1) showed maximum displacement of 36.92 $\mu\textrm{m}$ at 36.7 ㎑ with 45 V$\sub$rms/ and 0.11 A. The displacement amplification ratio was about 5.2. But, the stress of step l horn was concentrated on intersection, where two diameters meet. To lessen the stress, step3 shaped hem is recommended.
한국전기전자재료학회 2002년도 춘계학술대회 논문집 유기절연재료 전자세라믹 방전플라즈마 일렉트렛트 및 응용기술
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pp.97-102
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2002
Bolt-tightened Langevin type vibrators using longitudinal mode of bar were designed and fabricated. In order to amplify the displacement of the tip of the vibrators, stacked ceramics were used and five different shapes of the horns were designed and fabricated. Resonant frequencies and vibrational characteristics of vibrators and horns were analyzed by ANSYS(finite element analysis computer program), and the displacements of tips of the horns were measured. As results, when the number of the stacked ceramics were increased, the displacements of the tips were increased and the driving voltages were decreased. Step1 horn(BLT-Stl) showed maximum displacement of 36.92[${\mu}m$] at 36.7[kHz] with 45[Vrms] and 0.11[A]. The displacement amplification ratio was about 5.2. But, the stress of step1 horn was concentrated on intersection, where two diameters meet. To lessen the stress, step3 shaped horn is recommended.
In recent practice a half round prismatic bar has fillet welded or formed through foundry work along the centerline on rear concave surface of the horn to mitigate gap flow between fixed and movable part of the rudder system. When the gap clearance has been blocked with this practice, numerical simulations indicate that the practices are not only effective in reducing the gap flow but also in mitigating the cavitation. The blocking effects are remarkably improved when a pair of blocking bar is bisymmetrically attached with respect to centerline on the opposite convex surface of the movable part. The blocking bar could be placed on the exposed surface under maximum rudder angle. This implies that the blocking bar could be easily adopted not only in a design stage but also in a maintenance stage for mitigating rudder cavitation. In addition, the numerical simulations imply that more improvements could be anticipated through the selection of section shape of prismatic bar for gap flow blocking.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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