超磁致伸缩换能器的声辐射特性

对超磁致伸缩大功率换能器的声辐射振动特性进行了理论分析与实验研究,将在一定预压应力下处于阶跃段的磁致伸缩棒简化为磁场强度与磁致伸缩应变的单输入单输出的线性系统·以静态试验数据为基础,建立等效的动态磁致伸缩模型·对指数形变幅杆的设计进行了理论分析和讨论,着重计算与设计了相关的振速分布、应力分布、振幅放大系数及节面位置等参数,测试中发现超磁致伸缩换能器频率范围较宽·试验得到了影响换能器发射声波主频率和最大振幅的若干参数·提高换能器的电声转换效率,增大换能器的发射功率的有效途径是选择合理辐射面质量和配重质量之间的比值,使能量流向辐射面一侧·所得结果可以为进一步优化超磁致伸缩换能器提供设计参考·     

基于非定常机电转换系数的超磁致伸缩换能器输出振幅模型

为实现对超磁致伸缩超声换能器输出振幅的准确预测,由换能器的等效电路推导得到输出振幅模型,并通过阻抗分析辨识出模型中的等效参数。为提高模型的准确性,研究了激励信号的频率和电压幅值对机电转换系数的影响。通过实验建立机电转换系数与激励频率的关系曲线,插值得到不同频率激励下换能器的机电转换系数,由振幅模型得到换能器输出振幅与激励电流幅值的关系曲线。结果表明:基于阻抗分析结果建立的振幅模型能够较准确地预测换能器在谐振状态下的输出振幅,验证了振幅模型的正确性。基于插值法得到的振幅-电流幅值曲线与实验结果一致,验证了所建立的机电转换系数与激励频率之间关系的正确性,提高了振幅模型在不同频率下的准确性。     

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.     

超磁致伸缩换能器的非线性特性

建立了超磁致伸缩换能器的等效动力学模型,应用Green函数得到了换能器的固有频率值,导出了超磁致伸缩换能器非线性振动响应的近似解析式·通过数值模拟,发现了超磁致伸缩换能器振动系统具有复杂的分叉和混沌行为·     

双侧激励源对热声制冷谐振腔内声场分布的影响

超声磁致伸缩换能器作为热声制冷机的激励元件,其输出声场强度直接影响热声制冷的效率。为提高谐振腔内直观的声压幅值,在单侧磁致伸缩换能器激励的基础上,集合声波相干理论,应用有限元软件ATILA模拟了双侧激励情况下,不同长度谐振腔与激励相位的匹配关系对谐振腔内声压幅值的影响,并与单侧激励谐振腔内声压幅值做比较。研究结果表明:相同激励力情况下,双侧激励(170 mm受同相激励,340 mm受反相激励)谐振腔内产生的平面驻波声场更加稳定、单色性好、声压幅值是单侧激励的1.78(半波长谐振腔)/1.81倍(一个波长谐振腔),均接近于2倍关系。以上研究成果对双侧激励源的相位与谐振腔长度的匹配工作提供了实验依据。     

典型活塞换能器声场分布及其指向性

为了比较分析形状各异的声源声场分布及指向特性,利用瑞利积分和加法定理,计算出5种典型活塞声源辐射声场的远场声压分布和指向性函数,分析了辐射频率和几何尺寸对指向性的影响,并采用MATLAB进行二维及三维的仿真模拟。结果表明,方形(环)活塞的指向性要好于等面积的圆形(环)活塞的指向性;在活塞尺寸不变的情况下,频率增大,所有形状活塞换能器指向性均增强;当频率和外径不变时,内径尺寸对环形活塞指向性影响较小;当频率和内径不变时,外径越大,环形活塞指向性越好。     

超磁致伸缩微致动器车削系统的动力学分析

考虑温度及预应力的影响,建立了应用于车削加工系统的超磁致伸缩微致动器动力学模型,并讨论了温度及预应力对其振动响应的影响.预应力对磁滞及理想磁化模型的超磁致伸缩微致动器模型输出位移的影响变化趋势相同,都出现"翻转"现象,在激励磁场小幅值范围内,系统的输出位移随着预应力的增加而减小,随着激励幅值的增加而增加;当激励磁场幅值较小时,温度对输出位移的影响较小,但是当激励磁场幅值较大时,输出位移随着温度的升高而明显减小.该结果对如何处理预应力、温度、超磁致伸缩材料的滞回的影响提供了理论依据.     

超磁致伸缩超声换能器设计分析

基于超磁致伸缩材料设计了一种超声换能器,推导了超声振子的频率方程,并且用ANSYS有限元软件对换能器的关键部件进行了动力学分析,得到了关键部件的模态和谐响应特性,验证了设计方法的可行性.对振动系统进行了静态磁场和谐波磁场分析,结果表明:增加磁回路中导磁材料的磁导率可以增加超磁致伸缩棒的轴向磁场强度和磁场均匀度,但当材料的相对磁导率大于1 000时,轴向磁场强度和磁场均匀度的增加幅度逐渐趋于平衡;在高频激励下,超磁致伸缩棒呈现出了严重的电涡流效应,严重限制了其驱动性能,必须对超磁致伸缩棒进行处理.     

新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究

各边界条件下矩形厚板辐射声场的辐射声场的解析解很难得到,因此利用有限元法分析了由夹心换能器与矩形厚板组成的新型纵弯复合换能器谐振频率的影响因素和辐射声场。结果表明矩形厚板几何尺寸对纵弯换能器频率产生较大影响,谐振频率随着接触面积的增大而增大;随着厚度的增大,各模态频率变化趋势与单独矩形板随厚度增大时频率变化不同;频率较低时,谐振频率随着矩形板宽度的增加而增大,但在频率较大时振动比较复杂,规律不明显需根据具体实际情况确定;同时实验测试结果表明模拟结果与实验结果误差较小。辐射声场研究结果表明矩形板几何尺寸会对复合换能器声场产生不同影响,相同振动模式下随着频率的增加,换能器在各模态频率下的指向性峰值变大且越来越尖锐,并且在主峰外出现了较多次峰;当板厚度增加,相同模态下的指向性变得更加尖锐,其结论可为纵弯振动复合换能器实际工程应用提供理论参考和频率调试依据。     

超磁致伸缩换能器几何非线性特性分析

针对超磁致伸缩材料存在的换能器碟簧非线性刚度特性,建立了具有碟簧刚度的平方和立方非线性特性的超磁致伸缩换能器复合非线性数学模型.应用多尺度法得到了超磁致伸缩换能器几何非线性振动系统响应的解析解和频响特性表达式.计算了其有无切削力两种情况下的数值解和解析解,并分析比较了其数值解和解析解的时域波形,同时得出了实际磁性参数下的频响关系曲线,分析了外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对频响关系式的影响.结果表明:数值解和解析解的时域波形基本一致,满足实际要求.外界激励f值、压磁系数d33和磁导率μ3T3对超磁致伸缩换能器的频响特性有明显影响,并且是研究换能器非线性刚度特性必须考虑的.     

基于声辐射控制的板结构优化设计

分析了影响板结构声辐射的主要因素,得出了结构振型主导中低频声辐射、振幅决定高频辐射的结论.根据分析结果,针对中低频提出了板结构的振型优化方案;针对高频段提出了振幅优化的方案.对一典型板结构,使用这2种优化方法对其不同频段的声辐射进行了优化的数值计算,计算结果表明,振型优化法在中低频段效果较好,而振幅优化法则更加适合于高频段的声辐射控制.     

基于Mindlin理论新型阶梯环型变幅器弯曲振动特性研究

阶梯型辐射体具有辐射面积大、辐射效率高等优点,在大功率超声领域被广泛应用。在高频大功率声辐射条件下,薄盘的机械强度明显不足;因此应考虑用厚板。从声学工程力学应用角度研究,基于Mindlin理论推导了新型阶梯环形变幅器自由边界条件下的弯曲振动频率方程;并对频率方程进行数值求解和有限元模拟及实验测试;同时还研究了各结构参数及材料对变幅器频率的影响。结果表明,自由边界条件下,有限元模拟结果与厚板理论计算结果都比较接近实验测试结果,误差较小。当其他参数一定时,在厚板范围内,前三阶频率随圆盘基底厚度、圆盘厚度的增加而增加;随内半径和外径的增加减小;随阶梯半径的增大而增大。所取材料的前三阶有限元模拟频率与厚板理论计算结果误差较小,其中45号钢频率最大,而铜频率最小,铝频率居中,研究结论对大功率阶梯型辐射体及辐射器的设计和应用提供理论参考和频率调试依据。     

圆形活塞圆周阵组合声源的远场指向性

为获得强指向性声源,设计了圆形活塞圆周阵组合声源,根据复合系统的指向性理论推导出声源远场的指向性函数.仿真结果表明:声源远场辐射均匀;声频越高,指向性越强;频率一定,活塞半径增大时,声源指向性也相应增强.相比单活塞声源和活塞个数相当的矩形阵活塞声源,该声源指向性较强.对由6片PZT-4压电陶瓷晶片组成的圆周阵水声发射换能器的实测结果表明,测量值与理论值基本一致,从而证明了该指向性函数的正确性.     

外接电感对轻负载阶梯型换能器频率的影响规律

现功率超声技术已被大范围应用,在实际加工中,其振动实现器件换能器的工况取决于外接负载阻抗的大小变化以及加工过程中换能器的温度变化;随着负载变化,换能器的谐振频率也将发生改变,导致与发生器输出频率不匹配,从而对换能器的输出振幅及加工效率产生负面影响。为得到规律,分别使用换能器的理论设计、仿真以及试验方法研究了轻负载下外接电感对换能器谐振频率的影响。结果表明：随着换能器变幅杆伸入水中长度的增加,换能器的谐振频率呈上升态势;通过外接调谐电感,换能器谐振频率会得到一定量的补偿,使其重新回到预先设定的频率值;随着外接电感值的增大,换能器的谐振频率会下降。可见使用电感负载可以有效解决换能器外接负载导致的频率漂移问题。     

纵振换能器谐振频率的研究分析

为得到纵振换能器不同尺寸参数下的谐振频率,满足超声塑化不同聚合物颗粒的要求,需要分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律。推导纵振换能器的频率方程,利用Matlab数值求解不同尺寸参数下纵振换能器谐振频率,数值和仿真分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律,实验验证数值和仿真分析的正确性。研究结果表明：推导纵振换能器频率方程求得谐振频率解析值、仿真值和实验值有较好的一致性,最大误差小于4%,验证了数值分析求得纵振换能器谐振频率的正确性。谐振频率随着纵振换能器尺寸参数的增大减小,变幅杆长度和放大比对谐振频率影响较大。     

潜水器动力舱振动与声辐射

基于壳体水弹性理论,探讨了潜水器动力舱振动与声辐射建模及分析方法,并对常用潜水器动力舱振动和声辐射进行了分析．结果表明,该舱振动复杂,模态密度大,难于避开动力源工作频率;其频率响应峰值集中在中低频段,响应大小与激振频率和激振方向有关;阻尼对频率响应影响较大,敷设阻尼材料降噪效果显著．