徑向復(fù)合型壓電超聲換能器研究.pdf

1、在超聲清洗、超聲焊接、超聲加工以及超聲波電機等功率超聲技術(shù)領(lǐng)域，需要設(shè)計各種結(jié)構(gòu)和振動模式的超聲換能器。復(fù)合型超聲換能器功率密度較大、機電轉(zhuǎn)換效率較高，因而應(yīng)用最為廣泛。如夾心式縱向振動壓電換能器（或郎之萬換能器）。這類縱向復(fù)合超聲換能器不僅其結(jié)構(gòu)簡單，而且電聲效率較高，并且可通過改變換能器前后金屬蓋板的幾何尺寸來調(diào)整其諧振頻率。目前，這類縱向復(fù)合換能器的振動方式主要為縱向、扭轉(zhuǎn)及彎曲振動模式等。然而，隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，功率超聲應(yīng)用范

2、圍不斷擴大，對換能器的結(jié)構(gòu)及能量輻射方式提出了新的要求，以滿足不同應(yīng)用需要。徑向振動超聲換能器具有輻射面積大、輻射效率高等顯著特點，在液體超聲處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本文在目前的徑向振動壓電超聲換能器基礎(chǔ)上，提出一種新型的徑向復(fù)合型大功率壓電超聲換能器，并對其徑向振動特性及施加徑向預(yù)應(yīng)力的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。建立了系統(tǒng)的徑向振動機電等效電路模型，并進行了數(shù)值仿真分析和實驗驗證。碩士期間主要開展了如下工作:
　　

3、 1.對厚度為冪函數(shù)變化的薄圓盤徑向超聲聚能器的徑向振動、扭轉(zhuǎn)振動進行了分析，推導(dǎo)計算得到了其機電等效電路圖，進而得出共振頻率方程、位移放大倍數(shù)方程。有限元仿真結(jié)果與理論一致。
　　 2.提出了一種新型結(jié)構(gòu)的徑向振動壓電超聲換能器，通過研制出徑向力可調(diào)膨脹內(nèi)芯，實現(xiàn)了對徑向復(fù)合壓電換能器的壓電陶瓷元件施加雙向徑向預(yù)壓應(yīng)力，從而大幅提高了換能器所能承受的電功率極限，解決了徑向復(fù)合壓電超聲振動系統(tǒng)中施加徑向預(yù)應(yīng)力的關(guān)鍵技術(shù)問題。建

4、立了系統(tǒng)的徑向振動機電類比等效電路理論模型，得出了其共振頻率方程;探討了換能器的徑向共振頻率和有效機電耦合系數(shù)與其幾何尺寸及材料特性之間的關(guān)系。
　　 3.利用建模軟件SolidWorks結(jié)合COMSOL Multiphysics有限元仿真分析軟件，對換能器的徑向振動模態(tài)進行了仿真分析，并計算了其徑向共振頻率。通過實驗測試了換能器的徑向共振及反共振頻率。結(jié)果表明，理論值及有限元值與實驗結(jié)果吻合較好。
　　 4.電聲效率是