本文關(guān)鍵詞：變厚度盤形徑—扭復(fù)合振動(dòng)壓電超聲換能器研究

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【摘要】：近些年,隨著超聲技術(shù)的發(fā)展,超聲換能器在工程領(lǐng)域的應(yīng)用得到迅速地?cái)U(kuò)展,其結(jié)構(gòu)和振動(dòng)模式也日益多樣化。其中,復(fù)合振動(dòng)模式換能器因具有獨(dú)特的振動(dòng)特性,在超聲外科手術(shù)、超聲電機(jī)、超聲拉管拉絲及切削加工等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。目前國(guó)內(nèi)外研究中,常見的有縱-扭、縱-彎、徑-扭、縱-徑等復(fù)合振動(dòng)模式。常見的實(shí)現(xiàn)超聲換能器復(fù)合振動(dòng)模式的方式有兩種：一是選用兩種壓電晶片組作為驅(qū)動(dòng)源,晶片分別采用不同的極化方式。工作中首先由晶片激勵(lì)生成兩種不同方向的振動(dòng),然后兩種振動(dòng)通過耦合作用實(shí)現(xiàn)換能器整體復(fù)合振動(dòng)模式的輸出；另一種是采用單一振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元,通過換能器蓋板的特殊結(jié)構(gòu)(如斜槽式、彎曲臂型),將單一振動(dòng)模式分解或轉(zhuǎn)化為復(fù)合振動(dòng)模式。本文研究了一種變厚度盤形徑-扭復(fù)合振動(dòng)壓電超聲換能器,它具有斜縫式變厚度盤形結(jié)構(gòu),通過入射應(yīng)力波在斜縫處的反射作用及反射波的徑向和切向分量相互耦合作用,把壓電圓盤的單一徑向振動(dòng)轉(zhuǎn)換成換能器整體的徑-扭復(fù)合振動(dòng)。采用等效電路法和有限元法探討了其徑-扭復(fù)合振動(dòng)的頻率特性和位移特性,詳細(xì)研究?jī)?nèi)容如下：(1)采用彈性波理論和等效電路原理,通過引入與斜角有關(guān)的徑向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)轉(zhuǎn)換系數(shù),得到其機(jī)電等效電路；并得到含斜角變量的共振頻率方程,試算了其共振頻率與斜角之間關(guān)系；(2)借助ANSYS軟件的模態(tài)分析功能,得到換能器共振模態(tài)振型及質(zhì)點(diǎn)位移分布云圖,分析了徑-扭復(fù)合振動(dòng)的共振頻率與斜縫幾何參數(shù)之間關(guān)系,探討了有效機(jī)電耦合系數(shù)及扭-徑位移比分別隨斜縫幾何參數(shù)的變化關(guān)系；采用瞬態(tài)分析功能,得到換能器在理想的諧振狀態(tài)下,輻射面上質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡,并討論了橢圓軌跡分別與斜縫幾何參數(shù)之間的關(guān)系；(3)試制換能器樣品并對(duì)其共振頻率及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移大小進(jìn)行測(cè)試。采用阻抗測(cè)試儀和激光測(cè)振儀分別得到樣品的阻抗曲線和諧振時(shí)質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)軌跡,分析了共振頻率及位移特性與理論、仿真結(jié)果的差別。通過比較實(shí)驗(yàn)測(cè)試、仿真分析及理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),三者有很好的吻合。
【關(guān)鍵詞】：超聲換能器 徑-扭復(fù)合振動(dòng)模式 等效電路 扭-徑位移比 橢圓振動(dòng)軌跡 ANSYS有限元仿真
【學(xué)位授予單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB552
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 研究背景及意義9-10
• 1.2 復(fù)合振動(dòng)模式換能器研究現(xiàn)狀10-12
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容12-13
• 2 變厚度盤形徑-扭復(fù)合振動(dòng)壓電超聲換能器等效電路13-24
• 2.1 換能器結(jié)構(gòu)及原理14-15
• 2.2 斜縫式變厚度環(huán)形振子振動(dòng)分析15-20
• 2.2.1 徑向振動(dòng)15-17
• 2.2.2 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)17-20
• 2.3 徑-扭復(fù)合振動(dòng)機(jī)電等效電路20-21
• 2.4 共振頻率方程21-22
• 2.5 本章小結(jié)22-24
• 3 斜縫式變厚度環(huán)形振子徑-扭復(fù)合振動(dòng)分析24-42
• 3.1 有限元方程及ANSYS分析軟件24-27
• 3.2 斜縫式變厚度環(huán)形振子仿真27-31
• 3.2.1 模型及參數(shù)27-28
• 3.2.2 仿真類型28-31
• 3.3 環(huán)形振子徑-扭復(fù)合振動(dòng)特性31-40
• 3.3.1 共振頻率32-33
• 3.3.2 扭徑位移比33-37
• 3.3.3 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)軌跡37-40
• 3.4 本章小結(jié)40-42
• 4 變厚度盤形徑-扭復(fù)合振動(dòng)壓電超聲換能器振動(dòng)特性42-61
• 4.1 有限元模型及參數(shù)42-44
• 4.2 換能器共振頻率特性44-51
• 4.2.1 頻率隨縫數(shù)的變化關(guān)系45-47
• 4.2.2 頻率與縫徑向等效長(zhǎng)度關(guān)系47-48
• 4.2.3 頻率隨斜角的變化關(guān)系48-49
• 4.2.4 頻率隨縫中心位置的變化關(guān)系49-51
• 4.3 換能器位移特性51-59
• 4.3.1 扭-徑位移比52-56
• 4.3.2 質(zhì)點(diǎn)徑-扭復(fù)合振動(dòng)軌跡56-59
• 4.4 本章小結(jié)59-61
• 5 試驗(yàn)與測(cè)試61-68
• 5.1 試制樣品及參數(shù)61-62
• 5.2 頻率及阻抗測(cè)試62-63
• 5.3 振動(dòng)測(cè)試63-65
• 5.4 軌跡測(cè)試65-66
• 5.5 本章小結(jié)66-68
• 6 總結(jié)與展望68-70
• 6.1 總結(jié)68-69
• 6.2 展望69-70
• 參考文獻(xiàn)70-74
• 致謝74-75
• 攻讀碩士學(xué)位期間科研成果75-77

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