管柱型近周期声子晶体点缺陷结构的大尺寸压电超声换能器

大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小,振幅分布不均匀,严重影响系统的性能和可靠性.为了改善大尺寸超声振动系统性能,可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制,但在对横向振动抑制的同时,该结构会对换能器机械强度和工作带宽等性能参数造成不利的影响.针对这一问题,本文提出利用管柱型近周期声子晶体点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化的新思路.该方法不仅可以利用构造的固/气二维近周期声子晶体结构的点缺陷模式,获得极低的能量损耗,有效提高系统辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度;也可以利用管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射,使得换能器在管柱柱高较低的条件下产生禁带,在有效抑制横向振动的同时,大幅拓宽换能器系统的工作带宽,增强系统的稳定性和机械强度,降低加工成本.仿真结果证明了优化的有效性.

近周期声子晶体开孔结构的大辐射面夹心式纵振换能器的优化研究

大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器中径向振动的存在不仅会导致换能器纵向辐射声功率的降低,还会缩短换能器的使用寿命,严重影响其性能和可靠性.为了减少大尺寸换能器中纵、径振动之间的强烈耦合,保证较高的纵向工作效率和可靠性,克服工作带宽较窄、振幅分布均匀度较差、位移振幅较小的缺陷,本文基于多点变形缺陷近周期声子晶体结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行了优化.利用仿真软件对优化后的换能器的性能指标进行了模拟分析,并进行了实验验证.结果表明,基于多点变形缺陷近周期声子晶体结构的大尺寸压电陶瓷换能器的纵向振动模态更加单一,可以有效提高大尺寸换能器辐射面的位移振幅和振幅分布均匀度,拓宽工作带宽.

基于声子晶体位错理论的二维超声塑料焊接系统

为了有效改善二维工具头辐射面振幅分布不均匀的问题,对二维超声塑料焊接系统进行了优化设计研究:首先,利用横向位错在大尺寸长条形工具头上构造近周期声子晶体同质位错结,调节带隙的宽度和位置,使得二维超声塑料焊接系统的工作频率位于工具头的横向振动的带隙内,进而有效地控制工具头X方向的横向振动;其次,利用近周期声子晶体斜槽结构进一步优化辐射面的振幅分布均匀度,并分析了斜槽结构参数对超声塑料焊接系统纵向共振频率和振幅分布均匀度的影响规律.模拟仿真结果表明,近周期声子晶体同质位错结和斜槽结构能够实现对二维超声塑料焊接系统的优化,为横向振动抑制理论的进一步研究提供了基础.

点缺陷正方晶格声子晶体的大尺寸压电陶瓷复合换能器

为了保证大尺寸夹心式压电陶瓷复合换能器的纵向工作效率,减少纵、横振动之间的强烈耦合,改善换能器前辐射端面的纵向位移分布均匀度,本文在大尺寸夹心式压电陶瓷复合换能器的前盖板上,加工了3行3列与换能器轴向平行的按正方晶格排列的二维空气圆柱孔,并通过改变3×3超元胞中心空气圆柱孔的半径来引入点缺陷,构造基于半径异常型点缺陷的二维正方晶格近周期声子晶体.该设计不仅可以利用晶体在径向的不完全带隙对大尺寸压电陶瓷复合换能器的横向振动进行抑制;还可以利用点缺陷的Anderson局域化特性,调控局域声场的强度和相位,进一步改善前盖板辐射面的位移分布均匀度;另外,本文分析了点缺陷空气圆柱孔的结构参数对换能器纵向共振频率以及纵向振动位移分布的影响规律.仿真结果表明,基于点缺陷声子晶体的大尺寸压电陶瓷复合换能器能够有效抑制换能器轴向的杂散模态、大幅优化辐射面纵向位移分布,改善大尺寸压电陶瓷复合换能器的性能.