微型压电超声换能器的研究与设计

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1、中北大学学位论文微型压电超声换能器的研究与设计摘要超声波在国防工业、机械电子、材料制造以及医疗等领域都有着重要的应用，随着其应用领域地不断扩展，超声技术在经济体中的地位也愈加重要。相较于传统的方式，医疗超声在诊断和治疗中有着极大的优势。如今，医学中的很多研究已处于细胞和分子领域，研究对象尺度非常小。因此，为了减少目标损伤和提高纯净度，超声振动系统小型化的需求成为必然，而这其中的重点便是超声换能器和刀具的小型化。本文主要研究了压电超声换能器的微型化设计、加工及优化，缺陷和负载对换能器工作的影响以及微型压

2、电超声换能器在显微切割中的应用等几个方面，全文的主要研究成果如下：（1）选取微型压电超声换能器零件材料，依据四端网络法计算了微型超声换能器的机械结构，建立了两端自由的超声换能器有限元模型，通过模态和谐响应分析，得到了换能器谐振频率，结点位移等参数以及在各个模态下的振型图。（2）分别绘制了超声换能器压紧螺母、前后盖板、预应力螺栓、变幅杆和刀具的零件图以及总体装配图，并依此加工了换能器的各零件，用电化学腐蚀法加工了符合尺度的刀具，加工了最大直径仅6mm、长64mm的微型压电超声换能器。（3）针对换能器工作

3、中可能出现的异常发热现象，建立了服役中超声刀具微裂纹相对运动的有限元模型，对工作状态下微裂纹表面的动接触行为和发热现象分别进行了实验及仿真分析，结果表明：裂纹两表面的振动是不一致的，裂纹中部温度明显高于其它部位，而且温度趋势是先快速升高后下降至平稳。（4）对微型压电超声换能器的各项关键参数进行测量，分别搭建了系统导纳测量平台和振幅测量平台，通过数据测量建立了超声换能器的导纳—频率关系和振幅—电压关系，并推断出了其振型和谐振频率。然后与仿真及理论设计的计算结果进行了对比，分析了造成差异的原因，并优化了换

4、能器的结构。（5）比较了不同负载条件下超声换能器导纳和频率的变化，并据此计算了针对实验负载的匹配电感，为提高超声换能器的工作效率提供了数据依据。搭建了微型压电超声换能器切割实验系统，通过对比是否施加超声振动切割动物微组织的实验，展示了将中北大学学位论文超声技术引入显微切割领域的损伤小、切口清晰和易操作的优势。关键词：超声换能器，显微切割，微裂纹，有限元中北大学学位论文ResearchandDesignofMiniaturePiezoelectricUltrasonicTransducerAbstrac

5、tUltrasoundhasimportantapplicationsinnationaldefenceindustries,mechanicalandelectronicengineering,manufacturingandmedicaltreatment.Asitsapplicationareasdevelop,ultrasoundtechnologyisbecomingincreasinglysignificantinnationaleconomy.Comparedwithtraditiona

6、lmethodinmedicaltreatment,ultrasoundhasgreatadvantagesindiagnosisandtreatment.Atpresent,manyresearchtargetsinmedicineareinsmallscale,andeveninacellularormolecularlevel.Therefore,inordertoreduceharmandimprovethepurityoftargetsubjects,theminiaturizationof

7、ultrasonicsystembecomesnecessary.Andthecentralproblemofminiaturizationisultrasonictransducerandtoolminiaturization.Inthisresearch,anewminiaturepiezoelectricultrasonictransducerwasdesigned,manufacturedandoptimizedanditcanbeusedformicrocutting.Theinfluenc

8、esofmicrodefectsandloadsoftransducerwerealsostudied.Theresearchresultsareasfollows:(1)Aftertheselectionofcomponentmaterials,mechanicalstructureswerecalculatedaccordingtothefour-terminalnetworkmethod.Thefiniteelementmodeloftransdu