螺栓对压电换能器有效机电耦合系数影响的研究

发布时间：2020-11-14 13:29

　　 功率超声技术在生产、生活各领域中得到了普遍应用,是一门主要利用声能对物质进行加工处理的技术。在实际的应用中,对于超声换能器的振动位移、效率和功率有着非常高的要求。在构成整个超声振动系统的部件当中,其中超声换能器占有最主要的地位,实现两种能量之间的互相转化,例如可以将机械能转化为电能,反过来也可以将电能转换为机械能。其中压电换能器不但制作容易,而且使用起来也特别方便,加之其其他一些指标的优越性,比如具有相当高的发射灵敏度、接收灵敏度和机电转化效率,而且可使用的频率范围也较宽,因而在实际的应用当中,得到了最为广泛的应用。为了充分发挥超声换能器的独特作用,如何设计换能器进而提高其机电耦合效率的研究成为必要。众多学者研究了压电材料的机电耦合系数、前后盖板的材料及特性阻抗、中间厚电极的长度及位置、匹配电感等对压电换能器的有效机电耦合系数的影响。在功率较高的工作状态下,压电陶瓷表现出来的抗张强度不太理想,所以很容易发生断裂,常常使用预应力螺栓把换能器的后盖板、陶瓷片和前盖板按前后顺序连在一起,从而可以给压电陶瓷片施加适当机械强度的预应力,使其压缩状态下工作,这样就可以防止压电陶瓷片被振碎。但是很少有人研究螺栓的的几何尺寸和材料等与压电换能器的机电耦合系数之间的关系。针对以上问题,本文有关于预应力螺栓的粗细、长短、材料和所处的位置对压电换能器的有效机电耦合系数的影响作了深入探究。具体工作如下:(1)在压电换能器长度一定的前提下,基于换能器的机电等效线路图和设计原理,推导了其谐振及反谐振方程,分析了用数值解析法计算了换能器有有效机电耦合系数与压电堆的长短、位置之间的关系。本文研究表明,当换能器的压电堆位于其中间位置时,压电堆的长度对应某一个值使得换能器的有效机电耦合系数存在极大值;当压电堆的长度不发生变化,仅仅改变压电堆的位置,得出当压电堆位于换能器的中间位置时,换能器的有效机电耦合系数对应一个极大值。此外,还得出换能器优化设计时,考虑螺栓时的有效机电耦合系数均小于不考虑螺栓时的。(2)将换能器的预应力螺栓等效为T型四端网络,结合换能器的机电等效线路和设计原理,推导出换能器的谐振频率方程和反谐振频率方程,用数值解析法得出位移节面位于换能器的中间位置时,换能器的有效机电耦合系数与预应力螺栓的长短、材料和粗细之间的变化关系。结果表明,换能器的总长度为一固定常数,不断加长螺栓时,换能器的有效机电耦合系数的值随其螺栓的加长而缓慢增大;不断加粗螺栓时,有效机电耦合系数随螺栓的加粗反而在减小。换能器前后盖板的材料都选择45#钢,换能器其他条件不变的情况下,分别选择45#钢、钛或铜作为螺栓的材料时,其中选择45#钢作为螺栓材料的有效机电耦合系数最低;钛或铜作为螺栓材料、直径保持不变,螺栓长度较短时,前者的有效机电耦合系数小于后者的。反之,其长度较长时,前者的大于后者的,且当螺栓不断加长时,有效机电耦合系数也随其长短的加长而增大。(3)同样将螺栓等效为T型四端网络,分别给出了预应力螺栓处于中部位置或后置时,压电换能器的机械等效电路图,而且推导出两种情况下分别对应的谐振及反谐振方程,使用数值解析法计算了压电换能器的有效机电耦合的系数与预应力螺栓的位置变化的关系。通过分析与比较,从理论上得出压电换能器的前盖板、后盖板及螺栓的材料都选择45#钢,且当其位移节面设计在换能器的正中央的位置时,预应力螺栓置于换能器的中部比后置的有效机电耦合系数较高的结论。
【学位单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB552
【部分图文】：

物质结构研宄：分子声学??在功率超声技术中，通常情况下，超声换能器、变幅杆、工具头等部件构成??完整的超声振动系统，整个装置的结构示意图如图１－１所示。在整个超声振动系统??的构成部件中，其中超声换能器占有核心的地位，主要是用以不同形式的能量如??电能、声能和机械能之间的相互转化的实现Ｗ。在实际的应用当中，功率超声技术??对于超声换能器所产生的的功率大小，效率高低以及振动位移振幅的大小等方面，??有着相当高的要求，可以通过对超声换能器进行优化设计，进而使其机电转化效??率得到一定程度的提高，达到预定的工作期望。??２??

图１－２超声悬浮装置??Ｆｉｇ．?１－２?Ｔｈｅ?ｄｅｖｉｃｅ?ｏｆ?ａｃｏｕｓｔｉｃ?ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ??

平面波顺着变截面棒的对称轴传播，建立在上述假设下，棒在横截面应力分??布均匀。??变截面棒的模型如图２－１所示，坐标轴ｘ为该棒对称轴，在质量元〇ｃ，ｘ?＋办）??一一?＼??乂??各?ｚ．ｒ?ｉ??Ａ?（如）广―；?（如）心?￣Ｋ－??＾?Ｘ??广???Ｊ丨?—４??、、．＊Ｌ??Ｘ??ｘ?＋?ｄｘ?－?、??？?Ｊ??图２－１变截面细棒的纵振动结构图??Ｆｉｇ．２－１?Ｔｈｅ?ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ?ｖｉｂｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?ｔｈｉｎ?ｂａｒ?ｗｉｔｈ?ｖａｒｉａｂｌｅ?ｓｅｃｔｉｏｎｓ??上受到的张应力＆办，由牛顿运动定律，推导出的变截面棒的动力学方程如下式??ｄｘ??１３??
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘晓兵;李鹏;夏慧;姜风春;申世坤;;金属超声波焊接技术及其应用[J];热加工工艺;2015年15期

2 李家乐;周平;刘浔阳;;超声微泡携靶向基因治疗肝癌的研究进展[J];中国普通外科杂志;2013年01期

3 吉丽萍;;超声雾化技术在选煤厂除尘中的应用与分析[J];煤炭工程;2011年11期

4 宁新;;旺宝超声波负离子加湿器原理及维修[J];家电检修技术;2011年13期

5 李军;贺西平;丁少虎;;预应力螺栓对压电换能器性能参数的影响[J];压电与声光;2010年06期

6 范阳阳;杨春利;刘文歌;范成磊;付业军;林三宝;;超声波在焊接领域的应用及研究进展[J];焊接;2010年11期

7 霍树青;高长水;;夹心式换能器设计中节面位置的选择与分析[J];电加工与模具;2009年02期

8 谢歆鑫;贺西平;;后置螺栓对换能器性能参数的影响[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2009年02期

9 李军;贺西平;丁少虎;;螺栓对压电换能器性能参数的影响[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2008年04期

10 邱潇潇;丁暘;曹玉龙;钱继波;吴巍;;超声波技术在污水处理中的研究进展[J];科技创新导报;2008年13期

相关博士学位论文 前1条

1 刘家郡;超声悬浮/气浮的混合悬浮及其行波驱动机理及实验研究[D];吉林大学;2013年

相关硕士学位论文 前1条

1 陈卓楷;超声雾化水雾的除尘机理和在实验中的应用研究[D];广东工业大学;2007年

本文编号：2883524