本文關鍵詞：變厚度盤形徑—扭復合振動壓電超聲換能器研究

  更多相關文章： 超聲換能器 徑-扭復合振動模式 等效電路 扭-徑位移比 橢圓振動軌跡 ANSYS有限元仿真

【摘要】：近些年,隨著超聲技術的發(fā)展,超聲換能器在工程領域的應用得到迅速地擴展,其結構和振動模式也日益多樣化。其中,復合振動模式換能器因具有獨特的振動特性,在超聲外科手術、超聲電機、超聲拉管拉絲及切削加工等應用領域展現(xiàn)出廣闊的前景。目前國內外研究中,常見的有縱-扭、縱-彎、徑-扭、縱-徑等復合振動模式。常見的實現(xiàn)超聲換能器復合振動模式的方式有兩種：一是選用兩種壓電晶片組作為驅動源,晶片分別采用不同的極化方式。工作中首先由晶片激勵生成兩種不同方向的振動,然后兩種振動通過耦合作用實現(xiàn)換能器整體復合振動模式的輸出；另一種是采用單一振動的驅動單元,通過換能器蓋板的特殊結構(如斜槽式、彎曲臂型),將單一振動模式分解或轉化為復合振動模式。本文研究了一種變厚度盤形徑-扭復合振動壓電超聲換能器,它具有斜縫式變厚度盤形結構,通過入射應力波在斜縫處的反射作用及反射波的徑向和切向分量相互耦合作用,把壓電圓盤的單一徑向振動轉換成換能器整體的徑-扭復合振動。采用等效電路法和有限元法探討了其徑-扭復合振動的頻率特性和位移特性,詳細研究內容如下：(1)采用彈性波理論和等效電路原理,通過引入與斜角有關的徑向及扭轉振動轉換系數(shù),得到其機電等效電路；并得到含斜角變量的共振頻率方程,試算了其共振頻率與斜角之間關系；(2)借助ANSYS軟件的模態(tài)分析功能,得到換能器共振模態(tài)振型及質點位移分布云圖,分析了徑-扭復合振動的共振頻率與斜縫幾何參數(shù)之間關系,探討了有效機電耦合系數(shù)及扭-徑位移比分別隨斜縫幾何參數(shù)的變化關系；采用瞬態(tài)分析功能,得到換能器在理想的諧振狀態(tài)下,輻射面上質點的橢圓振動軌跡,并討論了橢圓軌跡分別與斜縫幾何參數(shù)之間的關系；(3)試制換能器樣品并對其共振頻率及質點振動位移大小進行測試。采用阻抗測試儀和激光測振儀分別得到樣品的阻抗曲線和諧振時質點的橢圓振動軌跡,分析了共振頻率及位移特性與理論、仿真結果的差別。通過比較實驗測試、仿真分析及理論計算結果發(fā)現(xiàn),三者有很好的吻合。
【關鍵詞】：超聲換能器 徑-扭復合振動模式 等效電路 扭-徑位移比 橢圓振動軌跡 ANSYS有限元仿真
【學位授予單位】：浙江師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB552
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 研究背景及意義9-10
• 1.2 復合振動模式換能器研究現(xiàn)狀10-12
• 1.3 主要研究內容12-13
• 2 變厚度盤形徑-扭復合振動壓電超聲換能器等效電路13-24
• 2.1 換能器結構及原理14-15
• 2.2 斜縫式變厚度環(huán)形振子振動分析15-20
• 2.2.1 徑向振動15-17
• 2.2.2 扭轉振動17-20
• 2.3 徑-扭復合振動機電等效電路20-21
• 2.4 共振頻率方程21-22
• 2.5 本章小結22-24
• 3 斜縫式變厚度環(huán)形振子徑-扭復合振動分析24-42
• 3.1 有限元方程及ANSYS分析軟件24-27
• 3.2 斜縫式變厚度環(huán)形振子仿真27-31
• 3.2.1 模型及參數(shù)27-28
• 3.2.2 仿真類型28-31
• 3.3 環(huán)形振子徑-扭復合振動特性31-40
• 3.3.1 共振頻率32-33
• 3.3.2 扭徑位移比33-37
• 3.3.3 質點振動軌跡37-40
• 3.4 本章小結40-42
• 4 變厚度盤形徑-扭復合振動壓電超聲換能器振動特性42-61
• 4.1 有限元模型及參數(shù)42-44
• 4.2 換能器共振頻率特性44-51
• 4.2.1 頻率隨縫數(shù)的變化關系45-47
• 4.2.2 頻率與縫徑向等效長度關系47-48
• 4.2.3 頻率隨斜角的變化關系48-49
• 4.2.4 頻率隨縫中心位置的變化關系49-51
• 4.3 換能器位移特性51-59
• 4.3.1 扭-徑位移比52-56
• 4.3.2 質點徑-扭復合振動軌跡56-59
• 4.4 本章小結59-61
• 5 試驗與測試61-68
• 5.1 試制樣品及參數(shù)61-62
• 5.2 頻率及阻抗測試62-63
• 5.3 振動測試63-65
• 5.4 軌跡測試65-66
• 5.5 本章小結66-68
• 6 總結與展望68-70
• 6.1 總結68-69
• 6.2 展望69-70
• 參考文獻70-74
• 致謝74-75
• 攻讀碩士學位期間科研成果75-77

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本文編號：882881