纵—弯复合模式超声换能器的研究

研究了一种新型的纵-弯复合振动模式超声换能器,该换能器由均匀截面细棒及两组不同结构的压电陶瓷元件组成.导出了此类换能器的频率设计方程.实验表明,纵向共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,且实测值与设计值比较符合.     

纵向振子与圆盘组成的弯曲振动超声换能器的研究

用等效电路法研究了由纵向振动直棒与弯曲振动固盘组成的复合系统的共振频率及振动模式设计制作了几个具有弯曲振动圆盘的超声换能器,实测了它们的共振频率及振动位移分布。结果表明,实测值与设计值比较接近。本法计算简单,在此类换能器的实际设计中,具有一定的应用价值。     

超磁致伸缩超声换能器结构研究

为了实现大功率、大振幅的超声振动输出,设计了一种新型的超磁致伸缩超声换能器,换能器的形状是一个窗形的结构,用ANSYS软件对设计的超磁致伸缩换能器进行动力学分析,验证了设计方法的有效性。采用ansoft Maxwell软件分别对窗形换能器和棒形换能器进行了磁分析,发现窗形换能器的磁路是一个闭合的磁路,漏磁较少。分别对窗形换能器和棒形换能器的阻抗和振幅进行测量。结果表明,窗形换能器和棒形换能器的谐振频率基本一致,窗形换能器的阻抗比棒形换能器的阻抗要小很多,但是在相同的驱动电压下,窗形换能器的平均振幅大约是棒形换能器平均振幅的1.5倍。窗形换能器的阻抗小、结构紧促、输出振幅大,是未来超磁致伸缩换能器发展的新方向。     

指数型纵—扭复合模式超声换能器研究

纵-扭复合模式夹心式压电超声换能器是超声马达、超声加工等应用技术中的重要组成部分.本文研究的复合模式换能器由圆柱型金属后盖板、指数型金属前盖板及轴向极化和切向极化的二组压电陶瓷晶堆组成.导出了换能器中纵向振动与扭转振动模式的共振频率方程.并得出了两种振动同频共振的条件.实验表明.换能器的测试频率与设计频率符合很好.且换能器的纵向共振频率与扭转共振频率基本一致.     

自由端盖四梁凹形宽带弯张换能器设计

针对凹形弯张换能器改善低频宽带工作特性的技术需求,提出了一种自由端盖四梁凹形弯张换能器新结构。结构中将纵向振子的端部设计成弹性辅助梁,与主弯曲梁连接构成复合弯曲梁。同时为了克服弹性辅助梁对振动辐射带来的不利影响,引入了由纵向振子驱动的方形自由端盖并以此构成新的辐射端面。利用有限元软件分析了这种新结构弯张换能器的多模振动特性,模态分析表明换能器的前五阶模态是可利用的主要工作模态,频率间隔可以通过敏感结构参数进行调控。通过优化给出了一种设计方案,换能器整体几何尺寸为 140 mm×140 mm×396 mm,仿真分析了换能器在水中的导纳特性和发射电压响应曲线,结果表明：换能器最大发射电压响应大于 145 dB,发射电压响应起伏小于 6 dB的工作频带为 1.5~4.3 kHz,发射电压响应起伏小于 10 dB的工作频带为 1.5~8 kHz,具有低频宽带大功率工作特性。     

一种大功率超声换能器的设计

基于超声换能器设计理论,提出一种大功率超声换能器的设计及工程计算方法。该换能器由纵向振动夹心式换能器、半波长圆锥形变幅杆和盘棒式工具头组成,根据设计参数及特点,实际制作换能器,通过测试该换能器频率f=20.24kHz,标称功率可达1500W,符合设计初衷。进而验证了这种计算方法的可行性。该换能器可用于污水处理、油田开采及生物柴油等领域的技术开发中,具有推广价值。     

用于声化学的复合换能器的研究

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成。采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器。当复合振动系统振动模式的共振频率与纵向换能器的共振频率以及正六边形薄板弯曲振动的共振频率一致时,复合振动系统具有较高的有效机电耦和系数,系统声辐射能力较强;频率的理论与测量值的误差可能是设计纵向换能器时未考虑预应力螺栓、前后盖板的形状以及横向振动的影响,材料参数的取值与实际值有误差。弯曲振动的正六边形薄板的几何尺寸大,将会增大复合振动系统声波的辐射面积,因此可以改善局部空化腐蚀问题,并且可以提高槽内声场的均匀性,从而可以提高声化学产率;实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合。     

稀土纵向式换能器

讨论了稀土纵向式换能器的设计方法和关键技术，给出了利用国产棒型稀土材料制作的换能器件品的实验结果。实验结果表明：换能器在高度不超过１５０ｍｍ情况下，机械谐振频率低于２５ｋｈｚ，声源级超过１８０．０ｄＢ。     

大功率纵-弯超声振动系统的研究

本文研究了一种大功率纵－弯昨合模式超声振动系统。该系统由两个纵向大功率夹心式压电超声换能器及一个均匀截面直棒组成。文中给出了该振动系统的具体结构及其共振频率设计方程。根据均匀直棒的纵向及弯曲振动理论，导出了振动系统中纵向及弯曲振动同频共振的条件。     

钹式压电复合换能器的有限元分析

主要运用轴对称薄壳截锥单元的有限元分析方法，对钹式压电复合换能器的工作模式进行分析，并计算出在电场的作用下，钹式压电复合换能器的纵向位移，以及纵向位移与端帽及压电陶瓷形状参数的关系，并与试验结果进行对比。     

纵振换能器式圆筒型超声电机振动特性的研究

以纵振夹心换能器式圆筒型超声电机为研究对象,对换能器的振动状态进行了分析,给出了换能器弯曲振动的产生原因;研究了耦生弯振对电机机电耦合系数以及圆筒中弯振行波质量所带来的影响,耦生弯振的存在使得定子模态特征频率偏离换能器谐振频率,并使得定子圆筒中的弯振行波产生了畸变。最后,提出一种采用换能器弯振激励圆筒径向弯振的模态组合方式。     

用于超声清洗复合振动换能器的研究

本文研究了一种由纵向振动夹心式压电超声换能器与弯曲圆盘组成的用于液体中超声处理的复合振动辐射器。推出了恢复合振动系统的共振频率设计方程，分析了各个振动模式的机电转换特性及其声波辐射特性，测量了振动系统的共振频率及其有效机电耦合系数。从实验及理论结果可以看出，振动系统的频率测试值与设计值基本符合。在一定的共振频率上，该振动系统具有最大的有效机电耦合系数，是一种很有前途的功率超声辐射器。     

Sandwiched piezoelectric ultrasonic transducers oflongitudinal-torsional compound vibrational modes

Sandwiched piezoelectric ultrasonic transducers of longitudinal-torsional compound vibrational modes were studied. The transducers consist of coaxially segmented, longitudinally and tangentially polarized piezoelectric ceramic rings, a back metal cylinder, and a front exponential solid metal horn. Based on the plane-wave approximation, the equivalent circuits of the longitudinal and torsional vibrations in the sandwiched transducer were obtained and the resonance frequency equations of the transducer in longitudinal and torsional vibrations were derived. By means of choosing the radius decay coefficient of the front exponential horn, the longitudinal and torsional vibrations are made to resonate at the same frequency in the transducer. Sandwiched piezoelectric ultrasonic transducers of longitudinal-torsional compound modes were designed and fabricated according to the frequency equations. It is demonstrated that the measured resonance frequencies of the transducers are in good agreement with the theoretical results, and the measured resonance frequencies of the transducers in longitudinal and torsional vibration modes are also in good agreement with each other. Theoretical and experimental results show that this kind of transducer can be used in ultrasonic welding, ultrasonic machining, ultrasonic motors, and other ultrasonic applications which need large displacement amplitudes     

气介式功率超声复合换能器的声辐射特性研究

本文对气介式功率超声复合换能器的辐射声场进行了理论计算并与实验结果进行了对比。该复合换能器由夹心式纵向振动半波长换能器及弯曲振动的薄圆盘组成。从理论上推出了弯曲振动辐射圆盘在不同边界条件下的辐射声场分布及其共振频率方程。理论分析结果表明,固定边界弯曲振动圆盘辐射声场的指向性最佳,并且指向性的理论计算结果与实验结果符合很好。     

Design of advanced ultrasonic transducers for welding devices

A new high frequency ultrasonic transducer has been conceived, designed, prototyped, and tested. In the design phase, an advanced approach was used and established. The method is based on an initial design estimate obtained with finite element method (FEM) simulations. The simulated ultrasonic transducers and resonators are then built and characterized experimentally through laser interferometry and electrical resonance spectra. The comparison of simulation results with experimental data allows the parameters of the FEM models to be adjusted and optimized. The achieved FEM simulations exhibit a remarkably high predictive potential and allow full control of the vibration behavior of the transducer. The new transducer is mounted on a wire bonder with a flange whose special geometry was calculated by means of FEM simulations. This flange allows the transducer to be attached on the wire bonder, not only in longitudinal nodes, but also in radial nodes of the ultrasonic field excited in the horn. This leads to a total decoupling of the transducer to the wire bonder, which has not been achieved so far. The new approach to mount ultrasonic transducers on a welding device is of major importance, not only for wire bonding, but also for all high power ultrasound applications and has been patented     

高强度聚焦超声换能器的新型设计

采用高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤，如何增强对病变区域的辐照效果，而尽量减少对健康区域的辐照损伤是一个很重要的问题。文章基于目前常用的凹球面自聚焦换能器，提出了解决上述问题的方案，设计了新型的换能器，对其工作方式及声场特性进行了研究。结果表明：采用多换能器轮流发射的方式进行治疗是一种行之有效的解决方案。     

基于零阶算法的矩形面宽带纵振换能器设计

传统换能器的优化一般采用试算修改的方式进行,这样的方式在待优化参数较多时不仅比较繁琐而且有可能会漏掉各参数组合下较好的设计点,对此提出了利用零阶算法进行换能器多参数联合优化设计的方法。建立了一种带宽评价函数,通过该评价函数和零阶算法尝试了对矩形面纵振换能器带宽的优化设计。经有限元仿真和样机测试表明,两款换能器的性能达到了预期指标要求,实现了宽带工作。得到的两款宽带换能器性能为:1#换能器工作频带为10~21.5 kHz,带内起伏约3 dB,发射电压响应大于134 dB;2#换能器工作频带为7.5~31.5 kHz,带内起伏约6 dB,发射电压响应大于131 dB。该方法可以作为换能器设计的一种新方式。     

超声换能器表面振动和声场测量及其与经典超声换能器的仿真比较

超声换能器广泛应用于声学测量,其工作性能主要取决于它的振动与声特征。然而,多数研究中的换能器被认为是经典的活塞或高斯型,经典与常用的真实换能器之间的差异容易被忽视。基于此,首先用激光测振和传声器测声方法测量了某厂家换能器产品的表面振动与声场特征。然后设计有限元方案,分别仿真经典与真实换能器的声场。最后从辐射面振速分布、声场声压和相关系数等方面,综合比较经典与真实超声换能器之间振动与声场的异同。结果表明,换能器间的辐射面振速分布差别明显,所研究的真实换能器的声场特征接近于活塞,而与高斯型差别较大。     

Electrostatic transducers for micromechanical resonators: free space and solid dielectric

Three electrostatic transduction methods are analyzed for a micromechanical, longitudinal mode, beam resonator. The conventional parallel plate transducer placed at the location of maximum displacement is compared to two solid, dielectric transducers internal to the resonator. Although the solid dielectric offers higher permittivity than the free-space-filled transducers, the unfavorable locations of the internal transducers reduce or even remove the performance advantage of the higher permittivity.