径-扭复合模式超声功率合成振动系统仿真分析

为提高超声复合振动系统的功率,提出了一种径-扭模式转换型超声椭圆振动功率合成系统.该系统由一组纵向振动夹心式压电超声换能器与锥形剖面斜缝式圆环径向复合而成.采用有限元方法对斜缝式圆环的径-扭复合振动特性进行了研究.结果表明:圆环第1、2阶共振频率随斜缝角度、缝数及缝长的增大而降低;其第1阶共振频率随缝位置的增大而增大,而第2阶共振频率随缝位置的增大先升高后降低.设计制作了实验样机,并对其径-扭共振频率及径-扭复合共振椭圆运动轨迹进行了测试,结果显示,仿真与实验结果比较一致.     

管形径向复合压电陶瓷超声换能器

对一种圆管形径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性进行研究.该换能器由径向极化薄壁压电陶瓷短圆管与薄壁金属短圆管径向复合而成.基于弹性力学理论和机电类比原理,建立了换能器径向振动机电类比等效电路,并推导出其径向共振频率、反共振频率方程及有效机电耦合系数的解析式.实验加工了一些径向复合换能器样品,并对其径向共振频率及有效机电耦合系数进行了测试.结果表明,理论与实验测试结果相吻合.     

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.     

薄壁预应力管复合压电换能器径向振动分析

对带有薄壁预应力管外壳的径向复合压电换能器径向振动进行了研究.基于弹性力学理论和机电类比原理,建立了复合管压电超声换能器的径向振动机电类比等效电路,并得出其共振频率方程、反共振频率方程及有效机电耦合系数的解析式.探讨了换能器共振频率与其外部预应力管内外半径比之间的关系.实验结果表明:利用本文理论算得的复合换能器径向共振频率与实验测量结果相吻合,误差在5%以内.     

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.     

斜缝式变厚度环形振子径-扭复合振动特性仿真分析

采用有限元数值仿真方法对变厚度斜缝式环形振子的径-扭复合振动特性进行了研究;探讨了振子的共振频率及质点扭-径位移比与斜缝长度和斜角之间的关系;通过施加正弦载荷激励,得出了振子内表面质点的椭圆轨迹图.研究表明:斜缝式变厚度环形振子的第1阶共振频率随斜缝径向长度及斜角的增大而降低;而其质点扭-径位移比随斜缝径向长度及斜角的增大而增大;随着斜缝径向长度及斜角的增大,径向位移减小,而周向位移增加,模态分析与瞬态分析结果相一致.     

径向振动环状压电陶瓷复合变压器的研究

提出了一种新型的径向振动压电变压器,该变压器由两个径向极化的压电圆环与一个金属圆环在径向复合而成。基于径向极化压电圆环与金属圆环的机电等效电路,利用解析法得出此类压电变压器的机电等效电路,借助等效电路推出了压电变压器的共振、反共振频率方程及电压增益方程。利用数值法研究了压电变压器共振、反共振频率及有效机电耦合系数与金属圆环尺寸的关系,探讨了压电变压器共振频率及电压增益和负载阻抗的依赖关系。最后,用阻抗分析仪测试了压电陶瓷复合变压器的基频频率,实验测试结果与理论结果有很好的一致性。     

径向夹心式复合换能器径向振动特性研究

研究了一种新型径向夹心式复合换能器的径向振动。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆环及内外金属环构成。获得了压电环及金属环的机电等效电路,根据机械边界条件,得到换能器的三端机电等效电路,并求得换能器的频率方程。得到共振频率反共振频率以及有等效机电耦合系数与复合换能器几何尺寸间的理论关系。同时用有限元方法对换能器的径向振动进行模拟仿真,并实验测量了换能器的共振与反共振频率。结果表明,理论计算、模拟仿真以及实验测量结果符合较好。     

圆盘形压电陶瓷复合变压器的等效电路和特性

研究了由压电陶瓷圆盘,金属环,压电陶瓷环组成的圆盘形压电陶瓷复合变压器。推导了这种压电变压器的等效电路,输入阻抗,共振、反共振频率方程和电压增益方程。分析计算了压电变压器尺寸变化对频率、有效机电耦合系数的影响。研究了负载变化对压电变压器频率、有效机电耦合系数的影响,探讨了电压增益与负载的关系。研究表明,变压器随壁厚比的升高共振和反共振频率皆升高,有效机电耦合系数降低;随负载的升高,共振、反共振频率及电压增益升高,有效机电耦合系数降低。     

耦合超声振动系统的辐射特性

研究了一种用于液体中的由纵向夹心式换能器和纵径尺寸接近的金属圆柱辐射器构成的新型大功率超声振动系统。通过表观弹性法获得金属圆柱纵径耦合振动的机电等效电路及共振频率方程。对耦合振动系统的辐射特性进行了理论和数值分析,并通过实验进行验证。研究表明:该振动系统的圆柱辐射器的耦合振动可等效为一维径向振动和一维纵向振动的复合,其通过耦合系数相互作用;适当选择辐射圆柱的几何尺寸,振动系统产生强烈的纵径耦合振动,从而有效地辐射大功率超声波。     

纵-径耦合型超声功率合成振动系统的研究?

对复合式径向功率合成超声振动系统进行了研究。该系统由纵向超声换能器与等厚度狭缝式环形聚能器径向耦合而成。基于弹性力学理论及机电类比原理,推导出狭缝式环形聚能器径向振动等效电路及共振频率方程,并得出其径向位移振幅放大系数表达式,给出了其第1、第2阶径向共振频率与半径比的变化关系。理论与有限元结果表明：狭缝式环形聚能器的位移振幅放大系数在其第2阶共振模式下存在1个极大值。对超声功率合成振动系统的共振频率进行测试,结果表明,理论、仿真及实验结果吻合较好。     

一种新型径向复合阶梯盘形压电变压器

提出一种新型径向复合压电陶瓷变压器,并应用等效电路方法对阶梯金属圆环和厚度极化的压电振子的径向振动,以及阶梯厚度比与最大电压增益及机电耦合系数的关系进行分析.得到的此变压器的等效电路,推导出输入阻抗、共振频率、反共振频率、电压增益和功率效率的解析解,并将计算所得的共振频率、反共振频率与ANSYS模拟结果进行比较验证.结果表明:变压器在共振频率驱动下获得最大电压增益,在共振频率和反共振频率下获得最大功率效率;电压增益和功率效率在固定频率下,都存在着最佳负载.     

切向极化压电陶瓷薄圆环扭转振动负载特性研究

通过分析接电负载压电薄圆环的扭转振动特性,推出机电等效电路和共振频率方程.利用等效电路方法,给出了共振频率方程.得到了压电陶瓷薄圆环扭转振动的共振频率与负载阻抗曲线.电负载的阻抗改变将引起振子共振频率的改变.     

级联式变截面压电换能器尺寸对其性能的影响

研究了一种新型的级联式变截面压电换能器,它由两段金属圆柱、一段金属圆锥和两组轴向极化的压电陶瓷晶堆组成,并以机械端串联、电端并联的形式相连接,且换能器的两端半径远小于纵向振动尺寸。基于一维理论,得到了换能器的机电等效电路以及共振频率方程和反共振频率方程,进而研究了换能器在基频和二次谐频振动下的共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距离和金属圆锥尺寸之间的关系。将理论计算所得共振频率、反共振频率与COMSOL模拟结果进行比较,二者所得结果一致,研究表明选择合理的换能器尺寸可以有效优化其性能。     

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。     

新型夹心式压电陶瓷复合变压器的特性

提出一种新型多层复合夹心式纵向极化压电陶瓷变压器,并应用等效电路方法对压电振子的机电特性进行分析,推导出输入电阻、共振频率、反共振频率和电压增益的解析解,得出并分析了变压器第一、第二共振与反共振频率、机电耦合系数及电压增益与变压器的长度、负载电阻的关系。研究表明,一阶机电耦合系数在特定尺寸上和特定负载上均有最大值;一阶电压增益只在特定尺寸上存在最大值。将计算所得的共振频率、反共振频率与ANSYS模拟结果及实验测量结果进行比较验证,模拟结果及实验测量结果和理论计算值吻合。     

螺栓对压电换能器性能参数的影响

考虑到螺栓的影响,把螺栓等效为四端网络计入换能器的机电等效电路,推导了位移节面位于金属块中时压电换能器的频率方程,探究了压电换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数等性能参数随螺栓的几何尺寸和位置的变化规律.结果表明,适当变化螺栓的长度、位置和直径,可以使换能器的有效机电耦合系数增大,从而优化换能器的性能.     

径向振动压电陶瓷薄圆盘振子的机电等效电路与共振频率研究

对轴向极化压电陶瓷薄圆盘振子径向振动进行了理论和实验研究.推出了其机电等效电路,得出了振子共振和反共振频率方程,探讨了振子共振和反共振频率与材料参数之间的依赖关系,给出了压电陶瓷薄圆盘振子的共振及反共振频率与其泊松系数之间的解析关系.实验结果与理论计算符合较好.     

管道检测用圆弧形复合超声波振子设计

针对自主研发的球形管道检测器的定位需求,采用圆弧形压电陶瓷与检测器金属球壳本体相结合的方式,设计了一种圆弧形复合超声波振子.基于压电方程,采用直接耦合分析方法将机械参数和压电参数统一到同一个分析式中,对圆弧形压电陶瓷与金属球形壳体的耦合振动特性和机电能量转化效率进行理论分析.在此基础上,通过基于有限元的数值仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析.经过分析可知:所设计的圆弧形复合超声波振子有两个明显谐振频率点,分别为52.1 kHz和76.2 kHz,而在76.2 kHz下的机械品质因素和有效机电耦合系数等性能指标均优于52.1 kHz,且主要振型为径向振动为主的有弯曲振动.经过对实际研制的圆弧形复合压电振子进行阻抗分析可见,实际主谐振频率为72 kHz,在不同工作频率下实际测量的驱动波形结果与仿真分析趋势一致.     

预压力对纵扭复合压电超声马达共振频率影响的研究

研究了预压力对超声马达共振频率的影响.通过对纵扭复合型压电超声马达运行机理的研究,分析了预压力与纵扭复合型压电超声马达纵扭振子输出压电应力协同作用的机理.理论和实验研究结果表明,纵纽复合型压电超声马达的共振频率随预压力增加而增加;马达预压力和共振频率存在正比关系.理论分析和实验测试结果符合较好.