模式转换型功率超声振动系统的设计及优化

论文摘要

随着功率超声应用的进一步拓展,单一振动模式的超声振动系统已不能满足一些特定领域的应用需求。在超声清洗、超声液体处理、超声化学、超声焊接以及超声中草药提取等方面,迫切需要各类辐射面积较大的大功率超声振动系统,在这些应用场合,一维纵向超声振动系统通常很难实现全方位的大功率超声辐射。为了提高超声功率,增大超声波的作用范围,以及适应于不同的超声处理对象,往往需要一些耦合振动模式和模式转换型超声振动系统。对于模式转换型超声振动系统在工作时,一个振动系统中存在至少两种或两种以上的耦合振动模态,所以其设计理论、分析方法以及其振动特性等较之单一振动模态的振动系统复杂的多。因此,针对不同的模式转换型超声振动系统建立相应的理论分析模型在工程设计中具有重要的理论意义。同时,由于模式转换型超声振动系统的复杂性,为了设计出高性能的超声振动系统,往往需要在理论分析计算的基础上借助有限元软件进行振动性能分析仿真及优化设计。本文的主要工作是,基于振动模式转换的思想,研究了适用于超声焊接、超声液体处理及超声中草药提取等方面的新型大功率超声振动系统,主要内容包括：（1）把有限元软件ANSYS的参数化优化设计方法应用到超声振动系统的优化设计中,介绍了用ANSYS的参数化优化设计技术对超声振动系统进行优化设计的方法和步骤。该方法将为本文研究的各类模式转换型大功率超声振动系统的优化设计及其振动性能的提升提供有益的帮助。（2）基于模式转换的思想,提出了通过纵-弯-纵振动模式间的转换,实现大尺寸圆筒形工具头在较高频率下工作的新型模式转换型超声塑焊振动系统。应用弯曲振动和耦合振动理论,推导了该振动系统的谐振频率方程。利用数值模拟和实验的方法研究了该超声塑焊振动系统的振动性能,模拟和实验结果证实,振动系统纵-弯-纵振动模式转换合理,振动效果明显,且振动系统的辐射面位移振幅均匀。研究结果可望在超声塑料焊接领域获得应用,同时为高频大尺寸超声振动系统的设计提供了思路。（3）提出了一种新型大功率耦合振动环形超声辐射器,辐射器由纵振换能器及变幅杆激励特定尺寸的金属圆环,使其能有效地将纵向振动转化为圆环的径向-轴向耦合振动从而向环的径向、轴向辐射超声波,并且在环的中心形成聚焦声场。基于耦合振动理论,推导了该辐射器的机电等效电路并利用等效电路法计算了振动系统的谐振频率。借助于有限元软件ANSYS的参数化优化技术,对该环形辐射器进行了优化设计。在此基础上,研究了耦合振动环形超声辐射器的谐振特性及其辐射声场特性。通过对环形辐射器的振动模态研究发现,除了设计的径-轴耦合振动模态外,辐射器还存在一个三次谐频模态同样具有较大位移振幅,具有一定的应用价值,因此该辐射器可在双频模式下工作。本文提出的模式转换型大功率耦合振动环形超声辐射器可望在超声清洗、中草药提取以及声化学等液体处理领域获得应用。（4）为了提高超声辐射功率和增大超声波的作用范围,基于振动模式转换的思想,设计了一种大管径哑铃棒-管式高功率超声辐射器。辐射器由纵向夹心式压电换能器激发,通过哑铃状变幅杆实现放大换能器端面位移振幅和输出端面积的双重功能,实现在哑铃状变幅杆的输出端面连接比换能器径向尺寸更大的大管径金属圆管并给金属圆管更大的纵向激发位移振幅。当哑铃状棒形变幅杆和金属圆管受到换能器的纵向激励后,由于泊松效应变幅杆的大端及整个金属圆管产生一个复杂的纵-径耦合振动,从而在变幅杆的大端及圆管的径向和轴向均辐射超声波,增大辐射器的声辐射面积。基于传输线理论和耦合振动理论,推导了新型大管径哑铃棒-管式超声辐射器纵-径耦合振动的机电等效电路,并由此得到了该辐射器的谐振频率方程。为了提高整个振动系统的振动性能,借助有限元软件ANSYS的参数化优化设计功能,对辐射器的结构尺寸进行了优化。分析了整个振动系统的振动性能、机电阻抗特性及管内和管外的辐射声场特性。该大管径哑铃棒-管式超声辐射器可作为一种聚焦式超声辐射器在管内连续处理处理液,也可作为一种插入式高功率超声辐射器,向管壁外侧的径向及圆管的轴向辐射超声波,形成一个全方位超声辐射器。本文设计的新型大管径哑铃棒-管式高功率超声辐射器可望在超声污水降解处理、大容量液体处理,生物柴油制备以及声化学等领域获得应用。本文的主要创新点：（1）把有限元软件ANSYS的参数化优化设计方法应用到超声振动系统的优化设计中,提高了超声振动系统的振动性能。（2）基于模式转换的思想,提出了通过纵-弯-纵振动模式间的转换,实现大尺寸圆筒形工具头在较高频率下工作的新型模式转换型超声塑焊振动系统,有效克服了大尺寸圆筒形超声工具头在低频模式下工作噪声过大的问题。（3）提出了一种新型大功率耦合振动环形超声辐射器,推导了整个振动系统在径-轴耦合振动模式下的机电等效电路,对该振动系统的振动性能及声场辐射特性进行了研究,发现该振动系统可用作双频超声振动系统,有效克服了单频超声振动系统在处理液中由于驻波效应产生的处理“盲区”问题。（4）为了提高超声辐射功率和增大超声波的作用范围,基于振动模式转换的思想,设计了一种大管径哑铃棒-管式高功率超声辐射器。辐射器由纵向夹心式压电换能器激发,通过哑铃状变幅杆实现放大换能器端面位移振幅和输出端面积的双重功能,实现在哑铃状变幅杆的输出端面连接大管径金属圆管并使金属圆管得到更大的纵向激发位移振幅,从而有效地提高了辐射器的振动性能并且增大了超声辐射面积。推导了该超声辐射器在纵-径耦合振动模式时的机电等效电路,并由此得到了该辐射器的谐振频率方程。分析了整个振动系统的振动性能、机电阻抗特性及管内和管外的辐射声场特性。该大管径哑铃棒-管式超声辐射器既可作为一种聚焦式超声辐射器在管内连续处理处理液,也可作为一种插入式高功率超声辐射器,向管壁外侧的径向及圆管的轴向辐射超声波,形成一个全方位超声辐射器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 历史和研究现状
• 1.1.1 功率超声技术的介绍
• 1.1.2 功率超声振动系统的研究进展
• 1.2 超声振动系统的研究方法
• 1.2.1 一维设计理论
• 1.2.2 近似解析法
• 1.2.3 数值模拟方法
• 1.3 本文选题背景及研究意义
• 1.4 本文研究的主要研究内容和技术手段
• 第2章 模式转换型超声振动系统的设计理论及优化方法
• 2.1 前言
• 2.2 模式转换型超声振动系统的设计理论
• 2.2.1 变截面棒的一维纵振动理论分析及其等效电路
• 2.2.2 压电陶瓷晶堆的机电状态方程及其等效电路
• 2.2.3 夹心式压电陶瓷换能器的机电等效电路
• 2.2.4 大尺寸圆筒形（或环形）耦合振动超声辐射器/工具头的设计理论
• 2.3 基于有限元法的超声振动系统的优化设计理论及方法
• 2.3.1 有限元软件ANSYS优化设计理论介绍
• 2.3.2 两种优化方法介绍
• 2.3.3 优化设计的步骤
• 2.3.4 超声振动系统的优化设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 模式转换型超声塑焊振动系统的设计
• 3.1 引言
• 3.2 模式转换型超声振动系统的结构及工作原理
• 3.3 模式转换型超声振动系统的设计理论
• 3.3.1 弯曲振动圆盘的共振频率设计方程
• 3.3.2 大尺寸圆筒形工具头的耦合振动计算理论
• 3.4 数值模拟及实验测试
• 3.4.1 数值模拟
• 3.4.2 实验测试
• 3.5 结论
• 第4章 模式转换环形耦合振动超声辐射器
• 4.1 引言
• 4.2 模式转换型环形耦合振动超声辐射器的理论分析
• 4.2.1 压电换能器及变幅杆的等效电路
• 4.2.2 金属圆环耦合振动理论及其等效电路
• 4.3 环形耦合振动超声辐射器的数值分析
• 4.3.1 圆环的优化设计及振动系统的模态分析
• 4.3.2 振动系统的谐响应分析和辐射声场特性
• 4.4 实验测试
• 4.5 本章小结
• 第5章 新型大管径哑铃棒-管式超声振动系统的设计
• 5.1 引言
• 5.2 新型大管径哑铃棒-管式超声振动系统的机电等效电路及谐振频率方程
• 5.2.1 哑铃状变幅杆的等效电路
• 5.2.2 纵向激发径-轴耦合振动金属圆管的等效电路
• 5.2.3 耦合振动哑铃棒-管式超声振动系统的机电等效电路及谐振频率方程
• 5.3 大管径哑铃棒-管式超声振动系统优化设计及振动特性分析
• 5.3.1 哑铃状超声变幅杆的优化设计及振动性能分析
• 5.3.2 哑铃棒-管式超声辐射器的位移振幅分析
• 5.3.3 哑铃棒-管式超声辐射器的机电阻抗特性分析
• 5.3.4 哑铃棒-管式超声辐射器声场辐射特性分析
• 5.4 实验验证
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间的科研成果