微型壓電超聲換能器的研究與設計.pdf

1、超聲波在國防工業(yè)、機械電子、材料制造以及醫(yī)療等領域都有著重要的應用，隨著其應用領域地不斷擴展，超聲技術(shù)在經(jīng)濟體中的地位也愈加重要。相較于傳統(tǒng)的方式，醫(yī)療超聲在診斷和治療中有著極大的優(yōu)勢。如今，醫(yī)學中的很多研究已處于細胞和分子領域，研究對象尺度非常小。因此，為了減少目標損傷和提高純凈度，超聲振動系統(tǒng)小型化的需求成為必然，而這其中的重點便是超聲換能器和刀具的小型化。本文主要研究了壓電超聲換能器的微型化設計、加工及優(yōu)化，缺陷和負載對換能器工作

2、的影響以及微型壓電超聲換能器在顯微切割中的應用等幾個方面，全文的主要研究成果如下：
　?。?）選取微型壓電超聲換能器零件材料，依據(jù)四端網(wǎng)絡法計算了微型超聲換能器的機械結(jié)構(gòu)，建立了兩端自由的超聲換能器有限元模型，通過模態(tài)和諧響應分析，得到了換能器諧振頻率，結(jié)點位移等參數(shù)以及在各個模態(tài)下的振型圖。
　　（2）分別繪制了超聲換能器壓緊螺母、前后蓋板、預應力螺栓、變幅桿和刀具的零件圖以及總體裝配圖，并依此加工了換能器的各零件，用電化

3、學腐蝕法加工了符合尺度的刀具，加工了最大直徑僅6mm、長64mm的微型壓電超聲換能器。
　　（3）針對換能器工作中可能出現(xiàn)的異常發(fā)熱現(xiàn)象，建立了服役中超聲刀具微裂紋相對運動的有限元模型，對工作狀態(tài)下微裂紋表面的動接觸行為和發(fā)熱現(xiàn)象分別進行了實驗及仿真分析，結(jié)果表明：裂紋兩表面的振動是不一致的，裂紋中部溫度明顯高于其它部位，而且溫度趨勢是先快速升高后下降至平穩(wěn)。
　?。?）對微型壓電超聲換能器的各項關(guān)鍵參數(shù)進行測量，分別搭建了

4、系統(tǒng)導納測量平臺和振幅測量平臺，通過數(shù)據(jù)測量建立了超聲換能器的導納—頻率關(guān)系和振幅—電壓關(guān)系，并推斷出了其振型和諧振頻率。然后與仿真及理論設計的計算結(jié)果進行了對比，分析了造成差異的原因，并優(yōu)化了換能器的結(jié)構(gòu)。
　　（5）比較了不同負載條件下超聲換能器導納和頻率的變化，并據(jù)此計算了針對實驗負載的匹配電感，為提高超聲換能器的工作效率提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。搭建了微型壓電超聲換能器切割實驗系統(tǒng)，通過對比是否施加超聲振動切割動物微組織的實驗，展示