复频功率超声换能器的设计与研究

论文摘要

超声广泛应用于超声焊接、超声机械及超声清洗等其它领域中,其中超声清洗以它独特的优势广泛渗透到各种高精度清洗领域中。清洗效果的好坏与超声波频率的选择直接相关,通常可分为低频和高频清洗两种。低频清洗其机理普遍认为是超声空化,主要适用于清洗污染比较严重且被清洗的部件较大的场合;高频清洗其机理普遍认为是声冲流以及超声产生的高频加速度力,主要适用于清洗结构比较精细和复杂的物体。目前面世的超声波清洗设备大多采用单一工作频率的方式,即让每套设备只有一个工作频率,对于结构复杂的工件要得到充分清洗将比较困难。同时由于驻波场的形成,造成清洗盲区,清洗效果极不均匀。多频清洗提供了一条实现最佳清洗效果的有效途径,此时要求超声清洗装置的核心部件超声换能器具有多个不同的共振频率。按照超声换能器的常规设计准则,不同共振频率的超声换能器将具有不同的结构和尺寸。要设计不同共振频率的换能器,就必须加工尺寸和形状不同的超声换能器,加工成本将会很高。因此,研究具有多个共振频率的复频换能器具有重要的现实意义。本文利用多模态的耦合振动,设计和研究了具有多个共振频率的超声换能器,主要内容包括以下几个方面:1.研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射板弯曲振动复频超声换能器,换能器由纵向振动换能器和矩形辐射板组合而成,由于二者间的相互耦合作用,复合系统具有多个共振频率。分别对矩形厚板和矩形薄板弯曲振动特性进行了分析,给出了厚板和薄板弯曲振动的共振频率方程,结果表明矩形板具有丰富的谐振频率。由于弯曲振动和耦合振动都十分复杂,解析法分析此类换能器十分困难,本文利用有限元法对给定具体几何尺寸的超声换能器进行了模态和谐响应分析,绘出了其频率输入导纳曲线。对所设计的换能器进行了实验加工和测试,理论计算结果和实验测试结果基本一致。同时分析了复频超声换能器各构件的几何尺寸以及纵向振动换能器的激发位置对复频超声换能器共振频率的影响,给出了共振频率发生变化的原因。2.利用矩形体的纵横耦合,研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射体夹心式复频超声换能器。换能器由圆柱形后盖板、压电陶瓷晶堆和矩形六面体前盖板组合而成。利用表观弹性法和一维纵振动理论,给出了此类复频超声换能器横向及纵向理论共振频率方程,并对特殊情况矩形辐射体长宽相等的复频超声换能器的振动特性进行了分析和讨论。利用有限元及实验分别分析了此类换能器,给出了频率输入导纳曲线。理论和实验结果进行分析表明,此类矩形辐射器夹心式超声换能器具有多个共振频率,可在不同的振动模态上工作。3.对基于优化复频超声换能器的宽频换能器的设计方法进行了介绍,给出了各方法的原理和实现途径。4.对有限元软件ANSYS模拟换能器的流程和常见问题的处理方法做了全面的概括,并简要讨论了流体中换能器结构模态分析的一般处理方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 压电换能器的研究简介
• 1.2 本文的选题背景及研究意义
• 1.3 复频超声换能器的实现
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第2章 矩形辐射板弯曲振动复频超声换能器的设计
• 2.1 矩形板弯曲振动谐振特性分析
• 2.1.1 矩形厚板弯曲振动谐振特性分析
• 2.1.2 矩形薄板弯曲振动谐振特性分析
• 2.2 矩形辐射板复频超声换能器的结构及特性研究
• 2.2.1 复频换能器谐振特性的有限元及实验分析
• 2.2.2 复频换能器有效机电耦合系数及机械品质因素的测试
• 2.2.3 复频换能器的几何尺寸对共振频率的影响
• 2.2.4 纵振动换能器的激发位置对共振频率的影响
• 2.3 小结
• 第3章 矩形辐射体复频超声换能器的研究和设计
• 3.1 矩形辐射体夹心式复频超声换能器各部分的等效弹性系数
• 3.1.1 前盖板的等效弹性系数
• 3.1.2 压电陶瓷圆片的等效弹性系数
• 3.1.3 后盖板的等效弹性系数
• 3.2 矩形辐射体夹心式复频超声换能器共振频率的理论分析
• 3.2.1 横向（x,y方向）共振频率方程
• 3.2.2 纵向（z方向）共振频率方程
• 3.2.3 矩形辐射体夹心式复频超声换能器的理论计算及有限元分析
• 3.3 长宽相等的辐射体复频换能器特性分析
• 3.3.1 横向（x,y方向）共振频率方程
• 3.3.2 纵向（z方向）共振频率方程
• 3.3.3 长宽相等复频超声换能器的有限元分析及实验测试
• 3.4 分析和讨论
• 3.5 小结
• 第4章 基于优化复频超声换能器的宽频换能器的设计方法
• 4.1 宽频换能器的研究意义
• 4.2 宽频带换能器实现的常用方法
• 4.2.1 利用电匹配拓宽换能器的频带
• 4.2.2 利用声匹配拓宽换能器的频带
• 4.2.3 利用模态耦合拓宽换能器的频带
• 4.3 小结
• 第5章 ANSYS软件在分析和模拟声学换能器中的应用
• 5.1 ANSYS设计和分析声学换能器中的步骤
• 5.2 ANSYS设计和分析声学换能器中的注意事项
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果