弯曲振动复合楔形超声聚能器的设计

为了建立楔形变截面弯曲超声振动系统的设计理论,该文基于Timoshenko梁弯曲振动理论,推导了复合楔形超声聚能器的弯曲振动共振频率方程和放大系数解析表达式。利用解析理论模型和有限元仿真对复合楔形聚能器的前4阶弯曲振动特性进行了计算分析。结果表明:复合楔形超声聚能器的高度比和长度比对各阶弯曲共振频率和放大系数均有较大的影响;解析理论计算的聚能器的各阶弯曲共振频率和位移放大系数与有限元仿真结果一致,两种方法计算的聚能器的各阶弯曲共振频率相对误差均小于3%。由此表明该解析理论模型具有较高的理论计算精度。最后,设计并制作了复合楔形聚能器实验样品并对其一阶共振频率实验测试,实验测试结果与理论计算结果和有限元仿真结果吻合较好。该文研究结果为弯曲振动复合楔形超声振动系统的工程设计提供解析理论参考。

高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法

采用实验测量与理论计算相结合的方式,提出一种高强度聚焦超声换能器焦点峰值声压联合定征方法。对于孔径60 mm、焦距75 mm的聚焦超声换能器,在水中测量并仿真模拟线性压力波形,修正得到聚焦超声换能器的有效孔径和焦距。在高强度激励下对调整后的换能器模型进行数值计算,用零相位滤波器不失真地得到各谐波的初始相位信息,发现二次谐波、三次谐波相对基波的相对相位量随激励强度基本不变。利用光纤水听器对高强度聚焦超声换能器的各次谐波声压幅值的测量,结合仿真分析得到相位关系,各次谐波叠加得到焦点峰值声压。聚焦超声换能器在峰峰值电压V_(p-p)为250 V激励下,焦点正峰值声压为7.56 MPa,负峰值声压为-4.98 MPa。

基于开槽法的超声应力换能器LCR波检测深度校准研究

基于开槽法开展了超声应力换能器LCR波检测深度校准研究。其原理是当开槽深度超过LCR波渗透深度时,波的传播会受开槽的影响。首先,采用弹性波时域显式物理场,建立了LCR波渗透深度的有限元研究模型,仿真了LCR波的产生及传播过程,并且分析了槽型对LCR波及检测深度的影响。通过声时差与幅值变化幅度2个特征参数,得出矩形槽比梯形槽更适合用于校准换能器的检测深度。在此基础上,开展不同频率换能器检测深度校准试验,制定不同深度的矩形槽试块,分别校准了2.5、5、7.5 MHz频率下的LCR波渗透深度,并对2.5 MHz的实验结果开展不确定度评定。结果表明:2.5 MHz换能器的LCR波检测深度10次测量的平均值为2.85 mm,与标称值的误差为0.15 mm,合成标准不确定度为0.29 mm。研究结果对于校准不同频率下换能器检测深度及提高应力测量空间分辨率具有意义,并且可为LCR波渗透深度的经验公式提供实验参考。