压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的径向振动

对由压电陶瓷圆环与金属圆环组成的复合振动系统的径向振动特性进行了研究。首先分析了压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动,推出了其各自的机电等效电路。在此基础上,得出了压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了系统的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系。研究表明,当复合振动系统的壁厚比增大时,其共振及反共振频率升高。对于换能器的第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大而单调减小;对于换能器的第二阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大会出现一个极大值,而且,在一定的壁厚比范围内,换能器第二阶径向振动的有效机电耦合系数大于第一阶径向振动的有效机电耦合系数,这一规律与传统的有关压电换能器的分析理论及结果是有所不同的。     

阶梯型径向振动环形变幅器的振动特性

文中首先对各向同性弹性薄圆环的径向振动进行了研究,得出了其等效电路。在此基础上,对由双金属圆环组成的阶梯型径向振动变幅器进行了探讨,推出了其径向振动的复合等效电路及其共振频率方程。分析了此类径向振动变幅器的共振频率及径向位移振幅放大系数与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法,对变幅器的径向振动特性进行了数值模拟,结果表明,数值结果与解析结果符合很好。     

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。     

考虑压电效应时压电陶瓷圆形振子的耦合振动

在考虑压电效应的情况下，本文对压电陶瓷圆形振子的耦合振动进行了研究。根据压电陶瓷圆形振子的运动方程及压电方程，通过引入振子不同振动模式之间的机械耦合系数，分析了振子轴向及径向振动之间的耦合关系，得出了振子耦合振动的电导纳表达式，并导出了共振频率方程。与一维理论的结果相比，由本文理论得出的振子共振频率与实际测量值更加符合。     

计及高次径向模式时短圆柱压电振子的耦合振动特性

先前笔者曾就方形板及圆柱压电振子从实验和等效耦合电路理论两个方面研究了在极化方向及其垂直方向上两个基本纵向振动相耦合情况下的耦合振动特性(共振频率和机电耦合系数与尺寸比的关系)。但在那种情况下,如果垂直方向的尺寸比极化方向的尺寸大,耦合系数的理论值与实测值几乎看不出有一致性。因此,我们又在考虑高次径向模式的情况     

四分之一波长聚能器设计——(一)圆锥型部分

超声加工的应用范围很广,而在超声波加工设备中,其关键部件就是超声换能器。这种超声换能器由两部分组成,一部分是声振动推动级,就是换能器振子部分,它可以是压电式的或磁致伸缩式的,目前使用最普遍的是压电振子。另一部分是声振动的放大级,就是超声聚能器部分。在聚能器的输出顶端可以获得比较高的振动能量,以满足各种加工需要。从结构上讲,各种各样的超声换能器可以归成以下三种类型;它们的工作频率大都在几十千赫范围,一般为二十千赫左右。 第一种最常见的换能器是由半波振子和半波聚能器组成,而且半波振子部分多数采用压电纵向复合式振…     

齿轮超声加工纵向振动系统的设计与实验研究

为了解决齿轮超声加工纵向振动系统设计问题,基于纵向振动动力学方程,利用结合面的力、位移振动耦合与边界条件,提出纵向振动变幅器的非谐振设计方法,推导了频率方程;应用Matlab2011Ra对变幅器未知尺寸、振型分布进行理论数值求解,并利用ANSYS12.0对所设计变幅器进行模态分析与谐响应分析．设计加工了不同模数齿轮的纵向振动变幅器,基于C6140车床搭建了齿轮超声加工纵向振动系统的激光测振仪测试系统,进行谐振实验．变幅器的谐振频率和振幅经理论求解、有限元分析、实验测试对比,各自的最大求解偏差都小于5%,可以满足工程应用需要.研究表明：可应用力、位移耦合非谐振设计方法,完成中小模数齿轮变幅器的纵向振动系统设计,对齿轮超声振动系统设计具有理论指导和工程应用价值．     

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。     

压电陶瓷矩形振子的三维等效电路及其在振子频率特性分析中的应用

在忽略剪切振动、弯曲振动及扭转振动的近似条件下,分析了压电陶瓷矩形振子长度、宽度及厚度振动模式之间的耦合振动,推导出了振子三维耦合振动的等效电路.在此基础上研究了矩形振子耦合振动的共振频率特性并得出了振子的共振频率方程.理论分析表明,压电陶瓷细长条的横向及纵向振动模式是矩形振子在一定几何尺寸条件下的振动模式.按照导出的耦合振动频率方程设计的压电陶瓷矩形振子,其实测共振频率与理论计算值基本符合.     

复频超声换能器的研究

研究了一种具有多个共振频率的功率超声换能器，即复频超声换能器。换能器由一个纵向振动夹心式压电超声振子和一个弯曲振动薄圆盘复合而成。给出了换能器的理论共振频率方程，对实际制作的换能器的共振频率，等效电阻抗及有效机电耦合系数进行了实验测试，并对换能器的大功率工作性能进行了定性的测量及观察。实验结果表明，给出的换能器可以在不同的振动模式上工作，因此具有许多共振频率，且对应换能器不同的共振频率，换能器的等     

有限长各向同性圆柱体耦合振动的研究

按照耦合振动理论,用解析方法研究了有限长各向同性圆柱体的耦合振动,推出了用于设计及计算共振式圆柱振动器的频率方程,分析了振动体内纵向与径向振动之间的耦合关系。理论分析表明,无限长细棒的纵向及径向振动理论,薄板的径向振动理论以及无限介质中的纵向振动理论,都可由本文得出的理论推出。与数值方法相比,解析法计算简单,物理意义明显。实验表明,由本文理论得出的有限长圆柱振动器的共振频率与现有的理论结果及实验都非常符合,与一维振动理论的结果相比,耦合振动理论得出的振动体的共振频率与实验测量值更加符合。     

带有锥形孔的哑铃式超声工具头的设计及其振动性能研究

提出了一种带有锥形孔的哑铃式超声工具头。根据力电类比原理,推导了带有锥形孔的哑铃式超声工具头的等效电路、共振频率方程和放大系数。探讨了工具头的尺寸参数对其放大系数的影响特性,获得了工具头的最佳设计尺寸参数。基于最佳结构设计参数．利用数值计算软件ANSYS对工具头的振动性能进行了仿真分析,结果表明该工具头具有较大的放大系数,输出端位移振幅均匀,解析理论计算的共振频率与仿真所得结果基本一致。研究结果为带有锥形孔的哑铃式超声工具头的工程应用及其理论设计提供参考。     

微超声振动细胞切割系统中变幅杆的分析与设计

针对细胞微超声振动切割系统对超声变幅杆的要求,将等截面圆柱形阶梯变幅杆的一端替换成圆锥形变幅杆构成一种复合圆锥阶梯形变幅杆。由任意变截面杆纵向振动的波动方程出发,推导了复合圆锥阶梯形变幅杆的基本理论参量,设计了超声变幅杆的基本结构,给出其制造尺寸。并应用有限元法对变幅杆进行了模态分析,得到了共振频率和位移节点等重要参数。     

四分之一波长聚能器的理论分析与计算

聚能器是超声换能器的重要组成部分。通常按１／２波长和１／４波长这二种方法进行设计。本文讨论了１／４波长聚能器的设计方法，从一般形式出发，引入形状函数，根据聚能器各部分的边界条件和连续条件，按一维问题考虑，从理论上推导出了在有负载情况下，复合聚能器的频率方程和各部分的待定系数，从而可以导出复合聚能器各点的位移、振速、应变，纵向弹性力及应力的一般表达式。     

洞径对地下洞室的动力应力集中系数和振动加速度影响研究

参考模型试验,利用波的函数展开法推导了平面P波作用下不规则洞室的应力和位移表达式,并以一深埋直墙圆拱形洞室为例得到：除了背爆侧局部范围之外,洞室的洞径越大,动应力集中系数越小;当入射角为270°时,在迎爆侧,洞室洞径越大,径向振动加速度和切向加速度越大,在背爆侧,洞室洞径越大,径向振动加速度和切向加速度越小。并且洞径对应力集中系数的影响程度比对振动加速度的影响程度大。     

纵—扭复合振动模式超声变幅杆研究

本文对窄端带有均匀截面直棒的指数型纵-扭复合振动模式超声变幅杆进行了理论及实验研究,推出了该复合模式变幅杆纵向振动及扭转振动的共振频率方程。为了克服同一变幅杆纵向与扭转振动很难实现同频共振的问题,提出了一种通过改变指数型变幅杆的截面变化规律而实现改变纵向及扭转振动传播速度的方法。通过合理选择指数变幅杆的截面半径减缩系数(即参数β),实现了纵-扭复合变幅杆纵向振动与扭转振动的同频共振。实测结果表明,共振频率的理论值与测试值基本一致,变幅杆纵向及扭转振动共振频率的测试值也比较符合。该变幅杆具有比较高的位移放大系数。可望应用于超声加工、超声疲劳实验及超声焊接等功率超声技术中。     

考虑外部阻抗的压电叠层作动器机电耦合模型

压电叠层作动器在结构振动控制及其它场合表现出良好应用前景,建立能够反映其物理本质的数学模型非常重要。以压电材料的本构关系以及杆的纵向振动方程为基础,考虑外部阻抗的影响,推导了短路机械阻抗、电阻抗以及转换系数的表达式,并构造了转换方程,从而建立了能够描述压电叠层作动器与主体结构之间机电耦合特性的阻抗模型。理论分析和数值模拟结果表明外部阻抗对这些参数有重要影响：当两端的外部阻抗完全相同时,作动器的电阻抗和转换系数有最高的共振频率,作动器可看成两个具有固定-自由边界条件的作动器的串联。其它情况下则均有不同程度的降低。因此,为实现更好的控制效果需要考虑阻抗匹配问题。     

复杂耦合系统的统计能量分析及其应用

文章综合导纳分析法、经典统计能量分析方法和经典功率流理论的各自优点，提出适合复杂耦合系统的统计能量分析方法，为研究实际机械结构之间的振动传递规律、复杂机械系统的声辐射特性提供理论依据，为实际工程结构的振动隔离、噪声治理提供理论指导。文章首次提出统计能量分析参数必须统一定义，将影响实际机械结构相互之间能量传递的若干要素各自分离，并引入相应的参数分别开展研究。利用理论研究的成果，发展后的统计能量分析首次应用于水下航行器振动和噪声特性分析，预报了水下航行器的振动传递规律和辐射噪声级。理论分析与实验测试结果符合较     

压电复合材料换能器耦合振动特性研究

本文建立了针对压电复合材料的压电复合换能器耦合振动有限元模型,采用有限元方法研究了压电复合材料类型对换能器振动模态与共振频率的影响,并对换能器共振频率与压电复合材料结构几何尺寸之间的关系进行研究。结果表明:压电复合材料类型不同,换能器的振动模态振型会发生改变,并且其前两阶共振频率差值会因压电复合材料的基体材料的杨氏模量和泊松比的不同而发生变化,即共振频率差值随着基体材料杨氏模量的增大而增大,但随着泊松比的增大而减小;而且共振频率与压电复合材料的结构几何尺寸有关,即随着压电复合材料厚度的增大,换能器的纵向振动频率与弯曲振动频率都会逐渐减少,但两频率之间的间距是逐渐拉大的。     

功能梯度耦合梁的能量辐射传递模型

研究的目的是将能量辐射传递方法(RETM)拓展应用于功能梯度材料(FGM)耦合梁的高频振动响应分析。在RETM理论中，FGM耦合梁的振动响应由能量密度和功率流强度表示，振动波场由激励点实源产生的直接场与边界虚源产生的反射场叠加而成。由FGM梁微元的能量平衡推导了能量密度及功率流强度的核函数，利用耦合处的力平衡以及位移连续性推导了能量传递系数，根据边界功率流平衡确定了边界虚源强度。数值算例计算结果与波传播分析方法(WPA)的解析解进行对比，验证了所建立模型的正确性。最后，分析了梯度指数n对FGM耦合梁能量传递系数以及高频振动响应的影响，发现n的影响主要集中在n 0～1。