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超磁致伸缩功率超声换能器理论分析与实验研究

曾庚鑫  
【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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