变厚度盘形径—扭复合振动压电超声换能器研究

发布时间：2017-09-19 17:12

  本文关键词：变厚度盘形径—扭复合振动压电超声换能器研究

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【摘要】：近些年,随着超声技术的发展,超声换能器在工程领域的应用得到迅速地扩展,其结构和振动模式也日益多样化。其中,复合振动模式换能器因具有独特的振动特性,在超声外科手术、超声电机、超声拉管拉丝及切削加工等应用领域展现出广阔的前景。目前国内外研究中,常见的有纵-扭、纵-弯、径-扭、纵-径等复合振动模式。常见的实现超声换能器复合振动模式的方式有两种：一是选用两种压电晶片组作为驱动源,晶片分别采用不同的极化方式。工作中首先由晶片激励生成两种不同方向的振动,然后两种振动通过耦合作用实现换能器整体复合振动模式的输出；另一种是采用单一振动的驱动单元,通过换能器盖板的特殊结构(如斜槽式、弯曲臂型),将单一振动模式分解或转化为复合振动模式。本文研究了一种变厚度盘形径-扭复合振动压电超声换能器,它具有斜缝式变厚度盘形结构,通过入射应力波在斜缝处的反射作用及反射波的径向和切向分量相互耦合作用,把压电圆盘的单一径向振动转换成换能器整体的径-扭复合振动。采用等效电路法和有限元法探讨了其径-扭复合振动的频率特性和位移特性,详细研究内容如下：(1)采用弹性波理论和等效电路原理,通过引入与斜角有关的径向及扭转振动转换系数,得到其机电等效电路；并得到含斜角变量的共振频率方程,试算了其共振频率与斜角之间关系；(2)借助ANSYS软件的模态分析功能,得到换能器共振模态振型及质点位移分布云图,分析了径-扭复合振动的共振频率与斜缝几何参数之间关系,探讨了有效机电耦合系数及扭-径位移比分别随斜缝几何参数的变化关系；采用瞬态分析功能,得到换能器在理想的谐振状态下,辐射面上质点的椭圆振动轨迹,并讨论了椭圆轨迹分别与斜缝几何参数之间的关系；(3)试制换能器样品并对其共振频率及质点振动位移大小进行测试。采用阻抗测试仪和激光测振仪分别得到样品的阻抗曲线和谐振时质点的椭圆振动轨迹,分析了共振频率及位移特性与理论、仿真结果的差别。通过比较实验测试、仿真分析及理论计算结果发现,三者有很好的吻合。
【关键词】：超声换能器 径-扭复合振动模式 等效电路 扭-径位移比 椭圆振动轨迹 ANSYS有限元仿真
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB552
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 复合振动模式换能器研究现状10-12
• 1.3 主要研究内容12-13
• 2 变厚度盘形径-扭复合振动压电超声换能器等效电路13-24
• 2.1 换能器结构及原理14-15
• 2.2 斜缝式变厚度环形振子振动分析15-20
• 2.2.1 径向振动15-17
• 2.2.2 扭转振动17-20
• 2.3 径-扭复合振动机电等效电路20-21
• 2.4 共振频率方程21-22
• 2.5 本章小结22-24
• 3 斜缝式变厚度环形振子径-扭复合振动分析24-42
• 3.1 有限元方程及ANSYS分析软件24-27
• 3.2 斜缝式变厚度环形振子仿真27-31
• 3.2.1 模型及参数27-28
• 3.2.2 仿真类型28-31
• 3.3 环形振子径-扭复合振动特性31-40
• 3.3.1 共振频率32-33
• 3.3.2 扭径位移比33-37
• 3.3.3 质点振动轨迹37-40
• 3.4 本章小结40-42
• 4 变厚度盘形径-扭复合振动压电超声换能器振动特性42-61
• 4.1 有限元模型及参数42-44
• 4.2 换能器共振频率特性44-51
• 4.2.1 频率随缝数的变化关系45-47
• 4.2.2 频率与缝径向等效长度关系47-48
• 4.2.3 频率随斜角的变化关系48-49
• 4.2.4 频率随缝中心位置的变化关系49-51
• 4.3 换能器位移特性51-59
• 4.3.1 扭-径位移比52-56
• 4.3.2 质点径-扭复合振动轨迹56-59
• 4.4 本章小结59-61
• 5 试验与测试61-68
• 5.1 试制样品及参数61-62
• 5.2 频率及阻抗测试62-63
• 5.3 振动测试63-65
• 5.4 轨迹测试65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 6 总结与展望68-70
• 6.1 总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间科研成果75-77

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本文编号：882881