基于声黑洞设计理论的径向夹心式径-弯复合换能器

基于弯曲波在声黑洞(acoustic black hole,ABH)结构中振幅不断增大的特性,提出了一种新型径向夹心式径-弯复合换能器,该换能器由径向夹心式圆环换能器与外围的环形ABH结构组成.ABH结构的存在实现了换能器径向振动与弯曲振动之间的转换,提高了换能器的声辐射性能.利用几何声学的方法建立了ABH结构弯曲振动的解析模型,给出了其弯曲振动的本征频率,并结合有限元方法讨论了换能器机电转换性能随尺寸变化的关系.通过有限元方法给出了该换能器在空气中的辐射声压场、辐射声强以及辐射指向性,仿真结果表明,ABH结构的存在能够改善换能器弯曲振动的机电转换性能,提高换能器的声辐射性能,使换能器呈现出一定的辐射指向性.最后通过实验对换能器样机的电阻抗特性以及振动模态进行测量,实验结果与仿真相符合.

大尺寸三维超声振动系统的智能优化设计

对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制,优化系统的性能,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制,提高系统振幅分布均匀度,且可以通过改变声子晶体结构的配置参数人为地实现对大尺寸三维超声振动系统性能的调控.但过多的设计参数必然会增加系统设计的复杂度,且目前大尺寸三维超声换能器系统的优化设计依赖于经验试错法,设计效率和成功率较低,性能也无法保证.研究引入同质位错、点缺陷结构对大尺寸三维超声振动系统进行优化设计,并利用数据分析技术评价了同质位错、点缺陷结构的配置对系统辐射面的纵向位移振幅、振幅分布均匀度、辐射声功率、工作带宽等的影响规律,建立了同质位错结构、近周期缺陷结构的结构参数——大尺寸超声换能器系统性能的预测模型,实现了对大尺寸功率超声换能器系统的智能设计,提高了设计效率和成功率,降低了设计成本.

声表面和拓扑缺陷结构对换能器耦合振动系统的声波调控

如何对复杂功率超声换能器耦合振动系统的声波进行调控,设计高性能的换能器系统,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,在换能器系统内部引入各种缺陷,可以在一定程度上改善换能器耦合振动系统的性能.但损耗大、频带窄、对结构参数敏感等缺点限制了缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的进一步实际应用.为了改善缺陷型声子晶体换能器耦合振动系统的局限,有效降低能量损耗,提高能量传输的效率,本文在换能器耦合振动系统内引入既具有能量局域化效应的拓扑缺陷结构,又具有高能量传输效率的声表面结构.通过灵活设计声表面结构和拓扑缺陷的几何尺寸参数,可以对换能器耦合振动系统的振动进行有效调控,从而满足换能器耦合振动系统功能方面的不同需求.但表面结构和拓扑缺陷结构的设计参数过多,会成倍地增加设计的复杂度,大幅降低设计成功率,为此,利用数据分析技术建立了系统性能预测模型,不仅可以提高设计效率和成功率,还能够为换能器耦合振动系统性能的调控提出客观和准确的依据.

驻波场中环状空化泡聚集结构的稳定性分析

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程.环状结构通常出现在波节附近,其半径小于1/8波长;在一个包络波周期内,结构经历建立、稳定、消失3个阶段,结构形貌具有稳定性.环状空化结构存在气泡的输运现象,且在气泡主聚集区内有小泡团形成后向环内溢出,随后消失成离散的空化泡或泡核再次进入气泡输运循环.环状结构大小和气泡聚集区随时间小幅振荡变化,且存在结构整体旋转现象,主要取决于主声场和气泡间次级辐射场的共同作用.基于双气泡模型分析环状结构形成的物理机制,发现主声场是导致气泡形成环状聚集的控制因素.基于环链状模型分析了结构稳定性,通过数值计算得到了类环形结构等效势分布,且声压越高的地方等效势越高,此处气泡越易聚集.驱动声场越强,环链结构可能越完整,但是,声压过高导致高数密度的气泡聚集也可能破坏气泡的环状聚集稳定性进而演化成其他类型泡群结构.理论分析结果与实验现象具有很好的一致性.

径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动

提出了一种圆管式径向复合压电陶瓷换能器,并对其径向振动特性进行了分析。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆管以及金属外圆管组成。利用解析法得出了金属圆管以及具有任意壁厚的径向极化压电陶瓷圆管径向振动的机电等效电路。基于金属圆管与压电圆管的机械边界条件,得出了换能器的六端机电等效电路。在此基础上得出了换能器共振及反共振频率方程的解析表达式,给出了换能器的共振及反共振频率与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法对换能器的径向振动特性进行了模拟及仿真,并与解析结果进行了比较。最后,设计并加工了一些径向复合管式压电陶瓷换能器,利用精密阻抗分析仪对其共振及反共振频率进行了实验测试。研究结果表明,利用解析理论得出的换能器共振及反共振频率与数值模拟结果以及实验测试结果符合很好。

径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性研究

对径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性进行了分析。该换能器由一个厚度极化的压电陶瓷实心圆盘和一个金属圆环在半径方向复合而成。论文首先研究了压电陶瓷圆盘及金属圆环的径向振动,推出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,利用换能器的径向边界条件,得出了径向复合压电陶瓷换能器的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器的共振频率和有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的依赖关系。设计并实际制作了一些径向复合超声换能器,对其径向共振及反共振频率进行了测试,并利用有限元法进行了数值模拟。研究表明,利用文中理论得出的换能器的共振频率与实测值及数值模拟结果基本符合。

医学超声治疗技术研究及其应用

对超声波技术在医学及生物领域中的应用及其机理研究进行了分析.阐述了超声治疗技术的应用现状,分析了超声波的生物效应及其在治疗疾病中的作用.着重分析了目前国内外在超声治疗技术中的一些新方法和新设备,并对超声治疗技术的发展趋势进行了展望.

大尺寸矩形断面超声变幅杆固有频率的研究

超声变幅杆是功率超声技术中换能器振动系统的一个重要组成部分,本文利用表观弹性法研究了大尺寸矩形断面超声变幅杆的耦合振动,推出了常用的几种单一变幅杆(指数形,圆锥形,悬链线及阶梯形)的频率设计公式,为大尺寸矩形变幅杆的频率设计及计算提供了一种简单易行的方法,实验表明,利用本文公式设计的大尺寸矩形断面变幅杆,实测共振频率与理论计算频率基本一致,与一维振动理论的结果相比,利用耦合振动理论得出的变幅杆共振频率更加接近于测量值。

一种新型Cymbal换能器的研究

提出并研究了一种新型的Cymbal换能器。与传统的Cymbal换能器相比,该换能器中的压电陶瓷圆盘由一个金属圆环和压电陶瓷圆盘的径向组合体所代替。论文首先探讨了压电陶瓷圆盘和金属圆环组合体的径向振动,用解析方法得出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,得出了新型Cymbal换能器的机电等效电路,并得出了其共振及反共振频率方程。其次,利用数值计算方法,对这种新型的Cymbal换能器的共振频率和振动性能进行了研究。分析了Cymbal换能器的几何尺寸对其共振频率及有效机电耦合系数等参数的影响,探讨了其输入导纳的频率特性。所得结论为此类Cymbal换能器的优化设计及工程应用奠定一定的理论基础。本文提出的新型Cymbal换能器具有较大的几何尺寸、较高的机械强度以及功率容量等优点,可望在较大功率的水声及超声辐射器中获得较为广泛的应用。

压电超声换能器的电端匹配电路及其分析

本文分析了压电超声换能器的几种匹配电路及其匹配原理,推出了超声频电发生器与换能器之间的理想匹配条件,研究了电端匹配电路对换能器的谐振频率及其有效机电耦合系数的影响,所得结论为压电超声换能器匹配电路的设计提供了一定的理论依据。

超声塑料焊接工具横向振动及开槽的研究

本文利用耦合振动理论研究了大尺寸超声塑料焊接工具的三维振动，推出了决定工具谐振频率与其材料及尺寸之间关系的频率方程。还研究了工具的横向振动与开槽之间的关系，从理论上得出了决定工具开槽位置的数学表达式，在某种程度上解决了大尺寸工具的开槽问题。实验表明，大尺寸工具的设计频率与测量值基本符合，开槽大大地改善了工具辐射面上的位移分布的均匀程度。

关于改善超声清洗声场均匀性的研究

本文研究了一种新的功率超声辐射器,即弯曲振动矩形薄板振动器.导出了其共振条件,研究了由矩形薄板作为超声辐射器的清洗槽中声场分布情况.实验表明,与传统的清洗槽相比,这种清洗槽不但可以改善清洗槽中水平面上的声场均匀程度,而且可以改善清洗槽中深度方向上的声场均匀程度.因此矩形薄板辐射器是一种很有发展前途的超声清洗及其它超声处理技术中的声源.

压电陶瓷圆片振子的多模耦合振动

本文利用解析方法研究了压电陶瓷圆片振子的复合模式耦合振动，分析了振子的平面径向振动与厚度振动模式之间的相互关系，从理论上导出了决定振子复合模式振动的频率方程。本文的结果与现有理论计算方法的结果基本一致。实验表明，与一维传统理论的结果相比，本文结果与实测值更加接近。

纵向激发圆柱体超声频耦合振动的等效线路及其分析

本文利用表观弹性法的理论,得出了圆柱体耦合振动的一种等效线路,讨论了圆柱体耦合振动的频率方程及负载阻抗对振动频率的影响,计算了圆柱振动输入机械阻抗以及径向与纵向表观振速比随其几何尺寸变化的关系曲线.分析及计算结果表明,利用等效线路分析圆柱体的耦合振动,物理意义明显,计算简单,是分析及合理设计圆柱振动体的一种很方便的途径.

大尺寸矩形截面复合变幅杆的研究

超声变幅杆是功率超声技术中换能器振动系统的一个重要组成部分,与简单形状的单一变幅杆相比,复合变幅杆具有可以提高形状因数,增大放大系数等特点.本文研究了大尺寸矩形截面复合超声变幅杆的耦合振动及其设计,推出了变幅杆的材料及尺寸与其谐振频率之间关系的数学表达式,即频率方程.由于分析中考虑了变幅杆横向振动的影响,因此所得理论不受变幅杆横向尺寸的限制.实验表明,变幅杆谐振频率的计算值与测量值符合很好,与一维理论的结果相比,根据文中耦合振动理论得出的计算结果更加接近于实测值.

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。

功率超声技术的研究现状及其最新进展

对功率超声的产生、功率超声技术的作用机理以及功率超声的有关应用技术进行了简要概述 .重点介绍了近年来功率超声的一些新技术及其机理研究的新进展 .

一种近似测量换能器效率及其等效电参数的简易方法

本文提出了一种近似测量换能器效率的简易方法.在换能器负载对其共振频率影响不大的情况,利用换能器的等效电路,根据换能器效率的定义,推出了只依赖于频率及谐振时换能器两端电压与电流之间相位角的效率表达式,把测量阻抗的要求变成了测量相位角的要求,与导纳圆法比较,所用仪器简单,测量迅速,克服了导纳圆法中逐点测量及逼近的麻烦,为迅速分析换能器的性能提供了一条简单的测量途径.

功率超声换能器电声效率及辐射声功率的测量

在高频电功率计方法的基础上，本文提出了一种能够直接测量大功率压电超声换能器在实用状态下的辐射超声功率以及电声效率的新方法。与传统的高频电功率计法相比，本方法避免了介电以及机械损耗功率的测试，简化了测试步骤。

A3夹心式压电超声扭转换能器的研制

本文对夹心式压电超声扭转振动换能器进行了理论及实验研究，得出了对称型扭转振动夹心换能器的共振频率设计方程，给出了频率方程式中一些主要的物理量的具体表达式。在此基础上，实际设计并制作了一个夹心扭转振动换能器。