本文選題：模式轉(zhuǎn)換 + 耦合振動　； 參考：《陜西師范大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：隨著超聲應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展,功率超聲技術(shù)已廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥衛(wèi)生和國防等領(lǐng)域,尤其在超聲焊接、超聲清洗、超聲化學(xué)及超聲中草藥提取等應(yīng)用領(lǐng)域,此時單一振動模式的換能器已不能滿足一些特定領(lǐng)域的應(yīng)用要求,非常需要一些輻射面積較大的功率超聲換能器。為了提高換能器的功率并增大超聲波的輻射面積,往往需要一些模式轉(zhuǎn)換型和耦合振動模式的超聲換能器。本文基于模式轉(zhuǎn)換的思想,即,一種振動模態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種或多種耦合的振動模態(tài),研究了縱彎振動模式轉(zhuǎn)換及縱徑耦合振動模式功率超聲換能器,其主要內(nèi)容包含： (1)介紹了夾心式壓電超聲換能器各部分(包括壓電陶瓷晶堆及變截面棒)的設(shè)計理論,并給出了其機電等效電路及頻率方程；同時,以夾心式換能器的前端面振動位移振幅為目標(biāo),介紹了有限元軟件ANSYS優(yōu)化設(shè)計的方法和步驟,給出了優(yōu)化計算結(jié)果,希望該理論及優(yōu)化方法為本論文后續(xù)模式轉(zhuǎn)換功率超聲換能器中夾心式壓電換能器的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。 (2)從薄圓盤彎曲復(fù)合振動系統(tǒng)或縱彎模式振動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計出發(fā),提出了分布參數(shù)系統(tǒng)集中參數(shù)化的概念,根據(jù)一分布參數(shù)系統(tǒng)的動能和勢能與另一具有集中參數(shù)系統(tǒng)的對應(yīng)動能和勢能相等的原則,得出了三種邊界條件即自由邊界、固定邊界和簡支邊界薄圓盤彎曲振動的集中等效參數(shù)：等效質(zhì)量和等效彈性系數(shù)。然后從輻射聲功率角度求得了圓盤的輻射聲阻抗,畫出了薄圓盤彎曲振動時的集中參數(shù)等效電路圖,并得出了其共振頻率方程。對于相同尺寸且振動在相同階數(shù)的圓盤而言,自由邊界條件的共振頻率大于簡支邊界條件的共振頻率,但小于固定邊界的共振頻率,不過,三種邊界條件下計算的理論值都與模擬值都比較吻合。因此,圓盤的集中參數(shù)等效電路對彎曲振動系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論參考,期望能夠用于系統(tǒng)的機電等效電路中,大大簡化其求解過程,方便設(shè)計最佳工作狀態(tài)。 (3)對大尺寸的彈性金屬柱體及壓電陶瓷柱體進(jìn)行了分析,得出了它們的等效電路或頻率方程。首先,基于表觀彈性法,分析了大尺寸環(huán)狀金屬柱體的等效電路,為用機電等效電路法設(shè)計超聲振動系統(tǒng)提供了方便,不過此種情況主要適用于薄壁柱體,即壁厚遠(yuǎn)小于外半徑。其次,基于彈性動力學(xué)方程,根據(jù)環(huán)狀柱體兩端及內(nèi)、外兩側(cè)的自由邊界條件,推導(dǎo)出了半徑、厚度及長度任意變化的環(huán)狀彈性柱體共振頻率方程,結(jié)果表明,理論結(jié)果與數(shù)值模擬有很好的一致性,為縱徑耦合振動系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的理論。最后,在環(huán)狀彈性柱體分析的基礎(chǔ)上,運用相似的分析方法,簡單地對大尺寸壓電陶瓷柱體進(jìn)行了理論分析。 (4)根據(jù)彎曲振動薄圓盤集中等效參數(shù)的分析,提出了一種新型的縱彎模式轉(zhuǎn)換壓電超聲換能器,包含后蓋板、軸向極化的壓電陶瓷片及彎曲振動金屬圓盤。推導(dǎo)出了該換能器縱彎振動模式的機電等效電路,并得出了其共振頻率方程。通過該類換能器頻率方程可以看出,其共振頻率及反共振頻率隨其材料參數(shù)和幾何尺寸的變化而變化。因此可以根據(jù)此方程確定頻率或幾何尺寸等,為設(shè)計該類換能器提供了方便。其次利用有限元軟件ATILA分析了整個換能器的振動性能及輻射聲場的分布情況。最后,設(shè)計并加工了相應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換換能器,分別用精密阻抗分析儀Agilent Hp4294測試了該換能器的頻率變化特性曲線,用全場掃描式激光測振儀Polytec PSV-400測試了換能器的端面位移振幅分布。通過有限元軟件模擬及實驗測試結(jié)果可以看出,該換能器通過縱向激勵單元的縱向振動帶動輻射端面產(chǎn)生彎曲振動,并使其整體處于同一共振模式,即縱彎振動模式,從而增大了傳統(tǒng)夾心式換能器的輻射面積,為大功率及大輻射面積換能器的設(shè)計提供了思路。 (5)根據(jù)環(huán)形柱體縱徑耦合振動的分析,提出了一種新型的縱徑耦合振動模式柱狀壓電超聲換能器,包含縱向振動夾心式壓電換能器、柱狀金屬圓管及前后輻射金屬蓋板。根據(jù)傳輸線理論和梅森機電等效模型,利用柱狀換能器各部分連接處邊界上力和速度連續(xù)的特性,得到了縱徑耦合振動模式柱狀壓電超聲換能器的機電等效電路,并得出了其共振頻率方程。其次,利用有限元軟件分析了整個換能器的振動性能,并用ANSYS軟件的參數(shù)化優(yōu)化編程技術(shù)對其振動特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。最后,分析了相同尺寸的換能器在空氣中及水中的位移及聲場情況,選擇了合適尺寸的換能器對其聲場進(jìn)行了分析。該柱狀超聲換能器通過激勵夾心式換能器產(chǎn)生彎曲振動,帶動前后輻射蓋板做縱向振動的同時,柱狀金屬圓管做縱徑耦合振動,并使其整體處于同一共振模式,即縱徑耦合振動模式。能夠看出,換能器的兩端面振動位移分布基本均勻,同時,在柱狀換能器的側(cè)面產(chǎn)生徑向振動；且隨著換能器的徑向尺寸與縱向尺寸比值的增加,徑向振動位移逐漸增大。對柱狀換能器空氣中振動及水中的聲場進(jìn)行比較,可以看出,共振頻率與換能器中金屬柱體的壁厚有密切的關(guān)系。因此,選擇合適的尺寸,該類柱狀壓電超聲換能器將能夠被用作一個三維超聲輻射器,同時第二階的輻射聲壓也比較強,也期望該類換能器能夠作為多頻的超聲輻射器。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TB552

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2081043