夹心式纵-弯复合振动模式超声换能器的研制

研究了一种新型的夹心式纵－弯复合振动模式压电超声换能器．这种换能器用两套压电陶瓷片分别产生纵振动和弯曲振动．利用波动方程的通解,再加上边界条件,推出了纵振动和弯曲振动的频率方程．由频率方程设计出换能器的尺寸,使两种振动模式工作在同一频率．为验证设计理论,制做了一个频率为１０ｋＨｚ的换能器．实验结果表明,换能器的共振频率与设计值基本吻合．     

压电陶瓷矩形薄板振子的弯曲振动研究

在矩形薄板四边自由及简支两种边界条件下，导出了振子共振频率方程的解析表达式，研究了弯曲振动压电陶瓷矩形振子共振频率与其振动模式、几何形状及尺寸之间的相互关系．矩形截面压电陶瓷细长棒的弯曲振动以及细长条矩形振子的条纹模式弯曲振动，可以由本文理论直接导出．实验结果表明，振子弯曲振动共振频率测试值与理论值符合较好     

弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究

对弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及辐射声场进行了研究.该换能器由中心激励的弯曲振动圆盘及纵向振动夹心式压电陶瓷换能器组成.对圆板的轴对称弯曲振动进行了分析,得出了边界简支薄圆板的共振频率方程,推出了夹心式换能器与弯曲圆盘复合振子的机电等效电路及总体频率方程,并求出了其辐射远场声压分布指向性的解析表达式及换能器辐射近场的三维声压分布.结果表明,弯曲圆盘换能器的近场声压分布同样具有指向性,且主要分布在与换能器横向尺寸相同的空间内.对于弯曲振动圆板不同振动模式,等效电路参数及声场分布和指向性不同.     

压电陶瓷矩形薄板振子的弯曲振动研究

在矩形薄板四边自由及简支两种边界条件下，导出了振子共振频率方程的解析表达式，研究了弯曲振动压电陶瓷矩形振子共振频率与共振动模式，几何形状及尺寸之间的相互关系。矩形截面压电陶瓷细长棒的弯曲以及细长条矩形振子的条纹模式弯曲振动，可以由本文理论直接导出。     

夹心式扭转-弯曲复合模式压电超声换能器的研究

在均匀截面细棒扭转及弯曲振动理论的基础上,研究了一种夹心式扭转－弯曲复合模式压电超声换能器．该换能器由均匀截面金属细棒及两组极化方向不同的压电陶瓷元件组成．文中导出了换能器的共振频率设计方程,并从理论及实验上实现了同一换能器中扭转及弯曲振动的同频共振．实验表明,换能器的扭转振动共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,实测值与设计值基本符合．     

一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性研究

研制了一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器,并对其径向振动特性进行了理论及实验研究.该换能器由一个厚度方向极化的压电陶瓷薄圆环及一个金属圆环组成.对压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动分别进行了分析,得到了各自机电等效电路.在此基础上,利用换能器径向力及径向振动速度的连续条件,得出了压电陶瓷径向复合超声换能器机电等效电路及其共振频率方程.分析了换能器的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系.结果表明,在换能器压电陶瓷圆环内外半径保持一定情况下,换能器半径比增大时,共振及反共振频率随之增大.对于换能器第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随半径比增大单调增大,而第二阶径向振动有效机电耦合系数随半径比增大单调减小.     

矩形辐射体夹心式复频超声换能器研究

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、压电陶瓷晶堆及矩形六面体前盖板组合而成．根据表观弹性法和一维纵向振动理论。给出了此类复频超声换能器横向（x，y方向）及纵向（z方向）共振频率方程．用有限元法对给定具体尺寸的此类换能器进行了模态和谐响应分析，得出了其频率输入导纳曲线．理论和数值计算分析表明。此类超声换能器具有多个共振频率，可在不同振动模态上工作，达到了利用同一尺寸超声换能器产生多个共振频率的目的．     

一种变截面杆的超声弯曲振动分析

利用直杆弯曲振动的Timoshenko理论,求出等厚度矩形对称变截面指数杆弯曲振动的振型函数以及四种边界条件下的频率方程。这四种频率方程的边界分别是:固支—自由, 自由—自由,固支固—支,简支—简支。同时又给出了在超声振动情况下谐振长度的表达式,并对两端自由杆超声弯曲振动的变帽作用作了详细讨论。     

矩形板条纹振动模式指向性计算

从矩形薄板的振动特性出发,提出了一种改进的弯曲振动矩形板.因该板在自由边界下无解析解,作者应用有限元法,将自由边界弯曲振动辐射面进行离散、提取模态参数并进行处理.结合瑞利积分编制程序,求出了自由边界矩形板条纹振动模式的辐射声压及指向性,并与改进前的矩形薄板的指向性做了对比.结果表明,改进后的矩形薄板轴线方向上的指向性比改进前的明显尖锐.这对矩形板作为弯曲振动辐射源的应用提供了一定的依据.     

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

基于传统夹心式压电陶瓷换能器,提出了一种新型级联式高强度功率超声换能器。该换能器由多个半波长夹心式压电陶瓷换能器通过电端并联及机械端串联而成。基于一维理论,得出了换能器的六端机电等效电路,分析了换能器的电阻抗频率特性,并给出换能器的共振频率方程。研究了不同振动模态下,换能器的共振频率、反共振频率以及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距的依赖关系。实验制造2个级联式功率超声换能器,并对其共振频率和有效机电耦合系数进行了测试,实验结果与理论分析相吻合。此类级联式高强度功率超声换能器可望在超声波液体处理、超声波加工等大功率超声技术中获得应用。     

新型挤压膜气体轴承的研究

为了有效地克服传统气体轴承的缺点,利用超声波悬浮以及压电效应,研制了一种新型的挤压膜气体轴承.通过对弯曲振动模式下挤压膜轴承可悬浮质量与影响参数的关系讨论,选用硬铝金属外壳、锆钛酸铅压电陶瓷来设计挤压膜轴承的核心--压电弯曲换能器,并分析了它的一阶谐振频率以及与半径、厚度的关系,制作出满足挤压膜轴承工作谐振频率(20 kHz)要求的压电弯曲换能器.通过挤压膜气体轴承实验单元和线性导向系统实验,测量比较了悬浮质量与悬浮间隙的关系,验证了所做的理论分析和数值计算,取得了较好的一致性.这种新型轴承由于是在超声振动作用下获得悬浮支承,在结构上比静压气体轴承简单,因此在低速和静态时优于动压气体轴承,具有很好的应用前景.     

超声测距换能器振动系统的理论设计与测试

讨论了采用复合压电振子的测距换能器振动系统的设计方法,推导出在自由边界条件下复合压电振子的频率方程.找出某一特定频率下测距换能器的几何参数,并进行相同尺寸下的测距换能器实验验证.最后得到设计测距换能器振动系统的几何参数.     

纵弯复合模式超声换能器设计

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成.采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器.实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合,达到预期设计目标,这种六边形辐射板换能器可应用于特殊环境的超声测量,或应用于超声生物处理和声化学反应设备中,对该换能器的设计和理论模拟有利于更好掌握其振动特性及其产生的声场分布,对实际应用有指导意义.     

功率超声换能振动系统的优化设计及其研究进展

分析了功率超声换能振动系统的工程设计问题,探讨了在不同负载条件下,影响功率超声换能器电声效率的关键因素,并给出了具有指导性的设计原则,为功率超声换能振动系统的优化设计和性能改善提供设计指南和指导措施.并对近期发展的功率超声振动系统进行了分析和综述,重点阐述了两种新型功率超声振动系统,即三维全方位超声辐射换能器以及径向夹心式压电陶瓷复合换能器,对其设计方法和性能优化进行了总结.     

矩形压电陶瓷振子的耦合振动

利用等效弹性法分析了矩形压电陶瓷振子的二维耦合振动,通过引入等效弹性常数和二维耦合系数得出矩形压电陶瓷振子的共振频率方程和耦合系数方程,探讨了耦合系数、共振频率与压电振子宽长比的依赖关系。利用数值法对压电振子的振动特性进行了模拟及仿真,并与解析结果进行了比较,二者吻合较好。最后用实验进行验证,实验结果与仿真结果有很好的一致性。     

矩形薄板超声辐射器弯曲振动模式及本征频率研究

对不同边界条件下矩形薄板的弯曲振动进行了分析,得出３种边界条件下（自由、简支、固定）矩形薄板的本征频率方程,并对其振动模式进行了研究。理论分析表明,经典的细棒弯曲振动理论以及矩形薄板的条纹振动模式,是弯曲振动矩形薄板的一些极限振动模式。实验表明,弯曲振动矩形薄板的共振频率测试值与计算值符合很好,且矩形薄板弯曲振动位移分布的理论与实测结果一致。     

矩形薄板超声辐射器弯曲振动模式及本征频率研究

对不同边界条件下矩形薄板的弯曲振动进行了分析 ,得出 3种边界条件下(自由、简支、固定 )矩形薄板的本征频率方程 ,并对其振动模式进行了研究 .理论分析表明 ,经典的细棒弯曲振动理论以及矩形薄板的条纹振动模式 ,是弯曲振动矩形薄板的一些极限振动模式 .实验表明 ,弯曲振动矩形薄板的共振频率测试值与计算值符合很好 ,且矩形薄板弯曲振动位移分布的理论与实测结果一致 .     

大功率径向振动压电超声换能器

对一种大功率径向复合圆管压电超声换能器的径向振动特性进行了研究.依据机电类比原理,推出了换能器的径向振动等效电路及共振频率方程;探讨了换能器的第1、第2阶共振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的关系;实验测量了换能器的径向共振频率.结果表明,换能器径向共振频率的理论值与实测值符合较好.     

近周期声子晶体开孔结构的大辐射面夹心式纵振换能器的优化研究

大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器中径向振动的存在不仅会导致换能器纵向辐射声功率的降低,还会缩短换能器的使用寿命,严重影响其性能和可靠性.为了减少大尺寸换能器中纵、径振动之间的强烈耦合,保证较高的纵向工作效率和可靠性,克服工作带宽较窄、振幅分布均匀度较差、位移振幅较小的缺陷,本文基于多点变形缺陷近周期声子晶体结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行了优化.利用仿真软件对优化后的换能器的性能指标进行了模拟分析,并进行了实验验证.结果表明,基于多点变形缺陷近周期声子晶体结构的大尺寸压电陶瓷换能器的纵向振动模态更加单一,可以有效提高大尺寸换能器辐射面的位移振幅和振幅分布均匀度,拓宽工作带宽.     

压电双晶片弯曲振动频率方程及其位移解

利用小挠度理论推导设计压电双晶片弯曲振动的频率方程,得到其弯曲振动位移解.利用有限元方法计算压电双晶片弯曲振动的谐振频率.对研制的压电双晶片振子测得其谐振频率,测试结果与有限元计算结果、利用压电方程和小挠度理论推导的频率方程求得的结果相吻合.这说明,所推导的频率方程可于设计自由边界压电双晶片振子.