摘要
压电超声换能器作为超声设备的关键部件，其应用日益广泛。功率超声技术，如超声清洗、超声加工、超声电机、超声焊接、超声废水处理、超声药物萃取、超声原油稠油降黏、声化学反应等，具有高效、节能、环保等显著优点，使其在军工、机械工程、航空航天、石油化工、能源环境、电子及生物医药等领域具有广泛应用前景。为适应不同的应用需求，需设计不同结构及振动模式的超声换能器。 超声换能器的种类较多，从振动模式上分主要有纵向、扭转、弯曲及复合振动模式等。在超声加工等技术领域，弯曲振动超声换能器应用较广。由于弯曲振动波速具有频散特性，可通过改变振子的几何尺寸来调整弯曲振动波速的大小，其波速甚至可以远小于纵波波速。因此，相对于纵向振子，弯曲波振子的波峰数量密度更大，其声辐射均匀性将更高，特别适合于液体超声处理等领域。基于此，本文提出了一种新型的纵弯振动模式转换型开缝式圆管复合压电超声换能器，该换能器由纵向振动压电超声换能器、超声变幅杆及开缝金属圆管辐射器纵向复合而成。本研究目的是通过在薄壁圆管振子的管壁上沿长度方向等弧间隔透开一系列狭缝，通过纵弯振动模式转换，将换能器的纵向振动转换为圆管壁的高阶及高振幅弯曲振动，以提高换能器的声辐射效率。本文利用了共振设计原理，对复合压电超声换能器各组分的振动特性进行了理论分析与有限元数值仿真计算，研究结果表明，理论与仿真结果符合较好。在此基础上，进一步对开缝式圆管复合压电换能器的结构进行了优化设计。本文主要研究内容如下： 1.对现有同类型超声换能器结构及性能特点进行了分析，结合目前的生产应用需求，提出了一种新型结构开缝式圆管复合压电超声换能器，并对其振动特性进行了较系统的理论和数值仿真研究。 2.基于共振设计原理，对开缝式圆管复合压电超声换能器进行了理论分析与计算，将纵向振动压电超声换能器、阶梯型变幅杆、开缝圆管振子分别作为独立的共振单元进行理论分析。将圆管端盖近似为薄圆盘，将开缝圆管管壁近似为细长矩形截面梁，对其在不同边界条件下的共振频率方程进行求解。 3.基于有限元仿真软件COMSOLMultiphysics5.4分别对无缝圆管换能器及开缝圆管型换能器的振动特性进行了研究。对比分析了其振型、振动位移、体积形变及辐射声场分布特性。研究结果表明，开缝式圆管复合压电超声换能器的声辐射效率及辐射声场均匀性较目前无缝圆管型压电超声换能器和柱形换能器均有提高。并通过有限元仿真研究了换能器的几何尺寸、管壁开缝数量、开缝长度等参数对其振动特性的影响。结果表明，换能器共振频率随管长、半径、开缝数量的增大而减小；随端盖厚度、壁厚、开缝长度的增大而增大。换能器开缝圆管振子的体积形变量随开缝长度及开缝数量的增加而增大。 4.对开缝式圆管复合压电超声换能器的理论与数值仿真误差进行对比分析，理论与仿真结果符合较好，验证了理论的正确性。进一步地，根据换能器振动特性的仿真分析结果对其进行了优化设计。
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