功率超声振动系统的研究进展.pdf

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1、10应毋夕箩第28卷第l期2。。9年1月AppliedAcousticsVo1．28，No．1，Jan．，2009应崇福院士90生辰学术报告会论文功率超声振动系统的研究进展水林书玉(陕西师范大学应用声学研究所西安710062)摘要功率超声振动系统是功率超声技术中的关键部分，其主要部分包括功率超声换能器、超声变幅杆以及超声工具头或超声辐射器。本文就功率超声换能振动系统设计中经常遇到的一些关键问题进行了简要的归纳和总结，目的在于为功率超声换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施。同时，对一些新的功率超声振动系统进行了介绍，并简要分析了其发展趋势和应用领域

2、。关键词夹心式超声换能器，复频换能器，宽频换能器，复合模式换能器，气介超声换能器DevelopmentandprogressofpowerultrasonicvibratingsystemRUNShu—Yu(InstituteofAppliedAcoustics，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062)AbstractPowerultrasonicvibratingsystemisthekeypartinultrasonictechnology．Itismainlycomposedofultrasonictransducer，ultra

3、sonichornandradiator．Inthispaper，theanalysisandoptimizationdesignofthesandwichpiezoelectrictransducerisoutlined．Somenewdevelopmentsofultrasonictransducersarealsosummarized，andthecorrespondingre—searchtrendisanalyzed．KeywordsSandwichultrasonictransducer，Mufti—frequencytransducer，Widefreq

4、uen-cybandwidthtransducer，Compositemodetransducer，Air—coupledtransducer1引言图1所示为一个夹心式压电陶瓷换能器的几何示意图。在功率超声领域，夹心式压电陶瓷超声换由于这种结构的换能器是由法国物理学家能器得到了最为广泛的应用¨I4。与超声检朗之万提出来的，因此有时也称为朗之万换能测以及医学超声等其他技术中的超声换能器器。在这种换能器中，压电陶瓷圆片的极化方不同，功率超声换能器大部分工作在低频超声向与换能器的振动方向一致，压电陶瓷元件通范围，对换能器的功率、效率以及振动位移的过高强度胶或预应力螺栓与两端

5、的金属块连接要求较高，而对于其它性能参数，如灵敏度、指在一起，整个振子的厚度等于基波的半波长。向性以及分辨率等参数则要求不是很严格。这种换能器结构的优点在于既利用了压2008-09—08收稿；2008-10—23定稿国家自然科学基金(10674090)、教育部博士点基金(2oo50718003)以及教育部优秀青年教师资助计划(教人司[2003]355号)资助项目。作者简介：林书玉(1962一)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事超声技术的相关研究工作。通信联系人E-mail：sylin@snnu．edu．cn第28卷第1期林书玉：功率超声振动系统的研究进展电陶瓷振子

6、的纵向效应，又得到了较低的共振夹心式功率超声压电陶瓷换能器具有功率大、频率。另一方面，为了防止压电陶瓷的抗张强电声转换效率高、设计频率易于调节以及适应度差，在大功率工作状态下容易发生破裂，采用面宽等优点，因而在许多的超声领域获得了广了金属块以及预应力螺栓给压电陶瓷元件施加泛的重视及应用。截至目前，夹心式压电陶瓷预应力，使压电陶瓷圆片在强烈的振动时始终换能器已经广泛应用于超声清洗、超声焊接、超处于压缩状态，从而避免了压电陶瓷片的破裂。声加工、超声处理、声化学以及水声等技术中。金属后盖板压电陶瓷元件金属前盖板预应力螺栓绝缘套管图1夹心式压电陶瓷超声换能器的基本结构示意图总

7、所周知，在功率超声换能器的工程设计功率容量及其输人电阻抗特性；通过改变压电过程中，除了理论计算以及实验测试以外，换陶瓷元件在换能器中的位置，可以改变换能器能器的工艺设计也是非常重要的。也就是说，的振动性能及其负载特性。同时，通过改变换功率超声换能器的工程设计实际上是声学理能器前后金属盖板的材料、形状及其几何尺论与声学工程相互结合的一个问题。鉴于此，寸，可以对换能器的频率特性、辐射特性及其本文首先对传统的功率超声换能器的工程及振幅放大性能进行优化设计，以适应不同的工优化设计准则进行了简要的概述。在此基础作环境和应用场合。由于上述特点，导致夹心上，对一些