论文摘要
功率超声已经被广泛应用于人们生活和生产的各个领域，而产生功率超声最基本和最重要的器件是超声换能器。目前，市场上的超声换能器是以压电陶瓷为致动材料的压电超声换能器为主。由于压电陶瓷材料能量密度小，导热能力较差，在连续性、大功率情况下工作时，其内部发热不能及时传递到界外，造成材料易引起退极化和碎裂，从而限制了其应用范围。因此，压电超声换能器已经不能满足市场对超声换能器更高性能的要求。稀土超磁致伸缩材料是一种具有优良性能的新型功能材料，它不但具有输出应变大、能量密度高、机电转换效率高、响应速度快、居里温度高等特点，而且它的导热性能优于压电陶瓷材料，已经被应用于制造低频大功率的声学换能器并显示出优异性能，在大功率超声换能器的研发中具有明显优势。近年，已经成为大功率超声换能器研发领域的热点。本文首先对超磁致伸缩功率超声换能器（以下简称：磁致伸缩超声换能器）的工作机理及相关应用进行了深入研究，设计了磁致伸缩超声换能器实验样机，搭建了其磁滞特性、动态特性及阻抗特性等测试实验平台；其次，本文采取理论分析与实验相结合的方法，进行了适用于磁致伸缩超声换能器磁滞特性的数学模型研究，并对换能器实验样机的生热和散热机理进行分析和测试，分析其温度场分布情况，针对其分布设计换能器冷却系统；最后，本文以电声理论为基础，采用机电类比的方法，将换能器机械系统与电气系统结合起来进行阻抗特性研究，并进行换能器阻抗测试实验，分析了影响换能器阻抗变化的主要因素。在上述工作的基础上，本文以建立的磁滞模型为基础，结合二次磁致伸缩模型及机械动力学原理，建立了针对磁致伸缩棒的弹性体振动模型，并对该模型进行频率响应分析；本文还建立了磁致伸缩超声换能器的非线性动态模型，并对该模型进行了非线性动态特性分析及计算机模拟，得到了影响换能器输出稳定性的主要因素，提出了用混沌分析结果来指导磁致伸缩超声换能器设计的方法。本文全面分析了换能器内部的磁场分布，提出了一种磁致伸缩超声换能器驱动线圈组件的设计方法，使超声换能器致的动元件与驱动线圈骨架形成一个闭合磁路，减小了线圈骨架的漏磁和端部效应的影响，提高了超磁致伸缩材料所处空间磁场的均匀性，提升了换能器的能量转化效率；并提出对硅钢片和致动元件进行特殊处理，使得涡流损耗大幅降低。
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摘要Abstract目录主要物理量名称及符号表第一章 绪论1.1 课题的研究背景和意义1.1.1 超声的应用1.1.2 功率超声换能器的发展与现状1.1.3 课题研究的目的1.1.4 课题研究的意义1.2 本学位论文的研究内容和总体结构框架第二章 稀土超磁致伸缩材料特性及分析2.1 超磁致伸缩效应2.1.1 磁致伸缩机理2.1.2 磁致伸缩材料的磁化过程2.1.3 Weiss 分子场理论2.2 超磁致伸缩材料的物理性能2.3 超磁致伸缩材料的特性分析2.4 本章小结第三章 超磁致伸缩功率超声换能器结构设计3.1 超声换能器基本工作原理3.2 磁致伸缩超声换能器结构设计3.2.1 换能器的驱动元件设计3.2.2 换能器的复合振子设计3.2.3 换能器的冷却方式设计3.2.4 换能器的线圈结构和磁路设计3.2.5 换能器的预应力装置设计3.2.6 换能器实验样机3.3 本章小结第四章 超磁致伸缩功率超声换能器能量损耗和温升分析4.1 超磁致伸缩超声换能器损耗分析4.1.1 考虑应力作用的动态磁化模型4.1.2 Jiles-Atherton 模型及参数辨识4.2 超磁致伸缩超声换能器温度场分析4.2.1 超声换能器的损耗计算4.2.2 超声换能器的冷却系统流体边界条件计算4.2.3 超声换能器的温度场模拟4.3 超声换能器能量损耗测试实验4.3.1 实验方案设计4.3.2 实验过程4.3.3 磁滞回线测量及分析4.3.4 温度测量及分析4.4 本章小结第五章 超磁致伸缩功率超声换能器动态特性分析5.1 超声换能器的动态模型分析5.1.1 换能器动态模型的建立5.1.2 换能器振动状态模拟5.2 超声换能器的非线性行为分析5.2.1 等效力学模型5.2.2 分岔和混沌行为分析5.3 超声换能器动态特性实验5.3.1 实验方案设计5.3.2 LabVIEW 数据采集系统设计5.3.3 实验过程5.3.4 实验结果5.3.5 实验数据分析5.4 本章小结第六章 超磁致伸缩功率超声换能器阻抗特性分析6.1 换能器的电声理论基础6.2 超声换能器的阻抗特性研究6.2.1 换能器线圈电感分析6.2.2 换能器阻抗分析6.2.3 换能器阻抗匹配6.3 超声换能器阻抗特性实验6.3.1 实验方案设计6.3.2 实验过程6.3.3 实验结果与分析6.4 本章小结结论参考文献攻读博士学位期间取得的研究成果致谢附件
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