径向复合型压电超声换能器的研究论文

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1、径向复合型压电超声换能器研究～～～-_㈣燃必摘要在超声清洗、超声焊接、超声加工以及超声波电机等功率超声技术领域，需要设计各种结构和振动模式的超声换能器。复合型超声换能器功率密度较大、机电转换效率较高，因而应用最为广泛。如夹心式纵向振动压电换能器(或郎之万换能器)。这类纵向复合超声换能器不仅其结构简单，而且电声效率较高，并且可通过改变换能器前后金属盖板的几何尺寸来调整其谐振频率。目前，这类纵向复合换能器的振动方式主要为纵向、扭转及弯曲振动模式等。然而，随着超声技术的发展，功率超声应用范围不断扩大，对换能器的结构及能量辐射方式提出了新的要求，以满足不同应用需要。径向振动超声换能器具有辐射面积大、辐

2、射效率高等显著特点，在液体超声处理领域具有广阔的应用前景。本文在目前的径向振动压电超声换能器基础上，提出一种新型的径向复合型大功率压电超声换能器，并对其径向振动特性及施加径向预应力的关键技术进行了研究。建立了系统的径向振动机电等效电路模型，并进行了数值仿真分析和实验验证。硕士期间主要开展了如下工作：1．对厚度为幂函数变化的薄圆盘径向超声聚能器的径向振动、扭转振动进行了分析，推导计算得到了其机电等效电路图，进而得出共振频率方程、位移放大倍数方程。有限元仿真结果与理论一致。2．提出了一种新型结构的径向振动压电超声换能器，通过研制出径向力可调膨胀内芯，实现了对径向复合压电换能器的压电陶瓷元件施加双向

3、径向预压应力，从而大幅提高了换能器所能承受的电功率极限，解决了径向复合压电超声振动系统中施加径向预应力的关键技术问题。建立了系统的径向振动机电类比等效电路理论模型，得出了其共振频率方程；探讨了换能器的径向共振频率和有效机电耦合系数与其几何尺寸及材料特性之间的关系。3．利用建模软件SolidWorks结合COMSOLMultiphysics有限元仿真分析软件，对换能器的径向振动模态进行了仿真分析，并计算了其径向共振频率。通过l实验测试了换能器的径向共振及反共振频率。结果表明，理论值及有限元值与实验结果吻合较好。4．电声效率是换能器的重要性能参数之一。在上述理论与实验研究的基础上，研制出了一系列换

4、能器样品，并利用声强测量仪对换能器在液体介质(水)中的声场分布进行了测试，并初步得出了其电声效率。关键词：径向振动；超声换能器；聚能器；机电等效电路；COMSOL有限元仿真IlI之ESEARCHONTHER2∞L气LCOⅣ田OSITEPIEZOELECTRICULTRASONlCTRANSDUCERSABSTRACTInthefieldofhighpowerultrasonicapplicationssuchasultrasoniccleaning，ultrasonicwelding，ultrasonicmachining，ultrasonicmotorsandotherfields，wene

5、edtodesignavarietyofultrasonictrdnsduc2rwithdifferentstructul℃Sandvibrationalmodes．111ecompositepiezoelectrictransduceriswidelyusedinmanyfieldsbecauseofitshighpowerdensityandelectromechanicalconversionefficiency．Thelongitudesandwichpiezoelectrictransducer’(orLangevintransducer)structureissimpleandha

6、shighelectro-acousticefficiency,anditsl℃sonanegfrequencycanbe删ustedeasilybychangingthedimensionsofthebackandfrontmetalblocks．Atpresent,thiskindoftransducers’vibrationalmodesmainlyincludeslongitudinalvibrationalmode，torsionalvibrationalmodeandbendingvibrationalmode．However,witllthedevelopingofultraso

7、undtechnologyandexpandingthescopeofpowerultrasonic，thestructureandtheradiationoftheWdnsducerisputforwardnewrequirements，inordertomeetdifferentapplicationrequirements．啊1eradialcompositeultrasonictransd