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大功率管状超声换能器的设计与研究

高炳山  
【摘要】: 超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质,如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等,将电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。随着电子技术、计算机技术以及材料科学技术的飞速发展,其在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面都得到广泛应用,如超声化学、医学超声、超声诊断、超声清洗、超声加工、超声悬浮、超声雾化、超声乳化、超声疲劳试验等。压电陶瓷振子是换能器中的主要部件,本文对其特性进行了研究,主要内容包括以下几个方面: 1.依据薄膜和薄壳理论,分析了径向极化压电陶瓷圆管的振动特性,在此基础上推导出了不同振态下的径长位移特性以及集中参数等效电路,最后用有限元法分析了径长振动模态,得出了谐振和反谐振频率。通过有限元法分析表明,理论值与模拟值符合的很好,这对管状换能器的工程设计具有参考价值。 2.对径向极化厚壁压电陶瓷细长管和薄圆环进行了研究,利用解析法得出了其谐振和反谐振频率方程,并用有限元法分析了径向振动模态,给出了理论、有限元法和实验数据的一个对比,结果表明:本理论较为完善,对实际运用有一定的指导意义。由于厚壁理论是径向极化模型的一般情况,所以它的应用范围更为广泛,对于薄膜和薄壳模型同样适用,并且误差更小。 3.为了便于大功率超声换能器优化设计工作的开展,文中详细罗列了换能器输出功率的限制因素,并给出了相应的解决方案,最后阐述了换能器的电声学匹配知识。 4.对有限元法模拟换能器的流程和常见问题的处理方法做了全面的概括,并介绍它在本文中的具体应用。


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