發(fā)布時間：2020-11-14 13:29

　　 功率超聲技術(shù)在生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域中得到了普遍應(yīng)用,是一門主要利用聲能對物質(zhì)進行加工處理的技術(shù)。在實際的應(yīng)用中,對于超聲換能器的振動位移、效率和功率有著非常高的要求。在構(gòu)成整個超聲振動系統(tǒng)的部件當中,其中超聲換能器占有最主要的地位,實現(xiàn)兩種能量之間的互相轉(zhuǎn)化,例如可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能,反過來也可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能。其中壓電換能器不但制作容易,而且使用起來也特別方便,加之其其他一些指標的優(yōu)越性,比如具有相當高的發(fā)射靈敏度、接收靈敏度和機電轉(zhuǎn)化效率,而且可使用的頻率范圍也較寬,因而在實際的應(yīng)用當中,得到了最為廣泛的應(yīng)用。為了充分發(fā)揮超聲換能器的獨特作用,如何設(shè)計換能器進而提高其機電耦合效率的研究成為必要。眾多學(xué)者研究了壓電材料的機電耦合系數(shù)、前后蓋板的材料及特性阻抗、中間厚電極的長度及位置、匹配電感等對壓電換能器的有效機電耦合系數(shù)的影響。在功率較高的工作狀態(tài)下,壓電陶瓷表現(xiàn)出來的抗張強度不太理想,所以很容易發(fā)生斷裂,常常使用預(yù)應(yīng)力螺栓把換能器的后蓋板、陶瓷片和前蓋板按前后順序連在一起,從而可以給壓電陶瓷片施加適當機械強度的預(yù)應(yīng)力,使其壓縮狀態(tài)下工作,這樣就可以防止壓電陶瓷片被振碎。但是很少有人研究螺栓的的幾何尺寸和材料等與壓電換能器的機電耦合系數(shù)之間的關(guān)系。針對以上問題,本文有關(guān)于預(yù)應(yīng)力螺栓的粗細、長短、材料和所處的位置對壓電換能器的有效機電耦合系數(shù)的影響作了深入探究。具體工作如下:(1)在壓電換能器長度一定的前提下,基于換能器的機電等效線路圖和設(shè)計原理,推導(dǎo)了其諧振及反諧振方程,分析了用數(shù)值解析法計算了換能器有有效機電耦合系數(shù)與壓電堆的長短、位置之間的關(guān)系。本文研究表明,當換能器的壓電堆位于其中間位置時,壓電堆的長度對應(yīng)某一個值使得換能器的有效機電耦合系數(shù)存在極大值;當壓電堆的長度不發(fā)生變化,僅僅改變壓電堆的位置,得出當壓電堆位于換能器的中間位置時,換能器的有效機電耦合系數(shù)對應(yīng)一個極大值。此外,還得出換能器優(yōu)化設(shè)計時,考慮螺栓時的有效機電耦合系數(shù)均小于不考慮螺栓時的。(2)將換能器的預(yù)應(yīng)力螺栓等效為T型四端網(wǎng)絡(luò),結(jié)合換能器的機電等效線路和設(shè)計原理,推導(dǎo)出換能器的諧振頻率方程和反諧振頻率方程,用數(shù)值解析法得出位移節(jié)面位于換能器的中間位置時,換能器的有效機電耦合系數(shù)與預(yù)應(yīng)力螺栓的長短、材料和粗細之間的變化關(guān)系。結(jié)果表明,換能器的總長度為一固定常數(shù),不斷加長螺栓時,換能器的有效機電耦合系數(shù)的值隨其螺栓的加長而緩慢增大;不斷加粗螺栓時,有效機電耦合系數(shù)隨螺栓的加粗反而在減小。換能器前后蓋板的材料都選擇45#鋼,換能器其他條件不變的情況下,分別選擇45#鋼、鈦或銅作為螺栓的材料時,其中選擇45#鋼作為螺栓材料的有效機電耦合系數(shù)最低;鈦或銅作為螺栓材料、直徑保持不變,螺栓長度較短時,前者的有效機電耦合系數(shù)小于后者的。反之,其長度較長時,前者的大于后者的,且當螺栓不斷加長時,有效機電耦合系數(shù)也隨其長短的加長而增大。(3)同樣將螺栓等效為T型四端網(wǎng)絡(luò),分別給出了預(yù)應(yīng)力螺栓處于中部位置或后置時,壓電換能器的機械等效電路圖,而且推導(dǎo)出兩種情況下分別對應(yīng)的諧振及反諧振方程,使用數(shù)值解析法計算了壓電換能器的有效機電耦合的系數(shù)與預(yù)應(yīng)力螺栓的位置變化的關(guān)系。通過分析與比較,從理論上得出壓電換能器的前蓋板、后蓋板及螺栓的材料都選擇45#鋼,且當其位移節(jié)面設(shè)計在換能器的正中央的位置時,預(yù)應(yīng)力螺栓置于換能器的中部比后置的有效機電耦合系數(shù)較高的結(jié)論。
【學(xué)位單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB552
【部分圖文】：

物質(zhì)結(jié)構(gòu)研宄：分子聲學(xué)??在功率超聲技術(shù)中，通常情況下，超聲換能器、變幅桿、工具頭等部件構(gòu)成??完整的超聲振動系統(tǒng)，整個裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖１－１所示。在整個超聲振動系統(tǒng)??的構(gòu)成部件中，其中超聲換能器占有核心的地位，主要是用以不同形式的能量如??電能、聲能和機械能之間的相互轉(zhuǎn)化的實現(xiàn)Ｗ。在實際的應(yīng)用當中，功率超聲技術(shù)??對于超聲換能器所產(chǎn)生的的功率大小，效率高低以及振動位移振幅的大小等方面，??有著相當高的要求，可以通過對超聲換能器進行優(yōu)化設(shè)計，進而使其機電轉(zhuǎn)化效??率得到一定程度的提高，達到預(yù)定的工作期望。??２??

圖１－２超聲懸浮裝置??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｄｅｖｉｃｅ?ｏｆ?ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ??

平面波順著變截面棒的對稱軸傳播，建立在上述假設(shè)下，棒在橫截面應(yīng)力分??布均勻。??變截面棒的模型如圖２－１所示，坐標軸ｘ為該棒對稱軸，在質(zhì)量元〇ｃ，ｘ?＋辦）??一一?＼??乂??各?ｚ．ｒ?ｉ??Ａ?（如）廣―；?（如）心?￣Ｋ－??＾?Ｘ??廣???Ｊ丨?—４??、、．＊Ｌ??Ｘ??ｘ?＋?ｄｘ?－?、??？?Ｊ??圖２－１變截面細棒的縱振動結(jié)構(gòu)圖??Ｆｉｇ．２－１?Ｔｈｅ?ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?ｔｈｉｎ?ｂａｒ?ｗｉｔｈ?ｖａｒｉａｂｌｅ?ｓｅｃｔｉｏｎｓ??上受到的張應(yīng)力＆辦，由牛頓運動定律，推導(dǎo)出的變截面棒的動力學(xué)方程如下式??ｄｘ??１３??
【參考文獻】

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本文編號：2883524