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.     

声子晶体结构在功率超声换能器中的应用*

该文提出了一种二维声子晶体结构模型,并将该模型应用于横向尺寸较大的功率超声换能器的前盖板中,避免了形成耦合振动对换能器的影响,从而优化了该类换能器的工作性能。首先设计了一种具有近周期性结构的圆柱形孔的前盖板,然后研究了声子晶体结构前盖板散射体的半径大小和高度对换能器共振频率以及前盖板带隙的影响。结果表明,随着散射体半径和高度的增大,换能器的共振频率会随之发生改变,带隙范围也在发生变化,可以通过调节使换能器的共振频率处于声子晶体的带隙范围内,可以有效抑制换能器的横向振动。     

类声子晶体结构对超声塑料焊接工具横向振动的抑制

利用声子晶体的带隙理论以及耦合振动理论对大尺寸矩形超声塑料焊接工具的耦合振动进行了研究.在实际工程应用中,大尺寸工具的横向振动将严重导致工具头辐射面位移不均匀,影响系统的焊接质量及工作效率.为提高其工作效率,改善工具头辐射面位移的均匀程度,利用类声子晶体结构对大尺寸超声塑料焊接工具的横向振动进行抑制,分析并得出了类声子晶体结构的横向振动带隙,同时分析了工具头横向振动未抑制与抑制后其辐射面位移的大小与均匀程度.研究表明,通过合理设计类声子晶体的结构及尺寸,可以有效抑制超声塑料焊接工具的横向振动.不但改善了焊接工具辐射面纵向振动位移的均匀程度,而且提高了焊接工具的纵向振动位移幅度.     

基于二维声子晶体结构的大尺寸超声 塑料焊接系统*

在大尺寸的圆柱形超声塑料焊接系统的工具头上加工周期性槽,形成一种二维声子晶体结构。对基于二维声子晶体结构的圆柱形工具头进行了声子晶体的带隙分析,并对优化设计后的该超声塑料焊接系统进行数值模拟。探讨了开槽前后超声塑料焊接系统振型的变化以及工具头输出端面纵振动的位移分布。研究结果表明,二维声子晶体结构能有效地抑制横向振动,增强纵向振动,并均匀输出端面的振幅,可以实现对超声塑料焊接系统的优化设计。     

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.     

矩形辐射器压电多频超声换能器的研究

研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射器夹心式超声换能器,换能器由圆柱形后盖板、压电陶瓷晶堆及矩形六面体辐射器前盖板组合而成。利用表观弹性法和一维近似理论给出了多频换能器横向及纵向理论共振频率方程。对一种特殊情况下的此类换能器进行了有限元及实验分析,给出了各自的频率输入导纳曲线。对理论和实验结果进行分析后表明,此类矩形辐射器夹心式超声换能器可以在不同的振动模态上工作,具有多个共振频率.     

大尺寸夹心式压电超声换能器的设计

现有的夹心式压电超声换能器的设计方法多从一维理论出发，它对横向尺寸较大的换能器并不适用．本文研究了大尺寸夹心换能错的铝合振动，通过引人振动体的等效弹性系数，推出了换能器的耦合振动频率方程，并给出了换能器纵向共振频率的设计准则．与数值法相比，本方法计算非常简单．与一维理论的计算结果相比，利用本文理论得出的换能器的纵向共报频率与实测值更加符合．     

四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器的设计

提出了一种四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器,换能器由四组纵向极化压电陶瓷晶堆、一个中心耦合金属块和四个外部金属圆锥组成。基于二维耦合振动机理和机电类比原理,建立了换能器的等效电路模型并推导了其谐振频率方程。利用有限元软件仿真分析了四激励正交复合换能器的频响特性和振动特性,并与其单独一个方向振子的振动特性进行了对比。加工了反相和同相模态的换能器,利用阻抗分析仪和激光测振仪测试了其频率响应和二维四向纵振动输出特性,并进行了大功率二维四向超声乳化实验测试。理论、仿真和实验结果表明:换能器具有反相和同相两个纵向正交共振模态,在这两种共振模态下均可实现二维四向纵振动输出,且换能器两个正交方向振子的纵向振动具有相互耦合加强的作用;等效电路法和有限元法所得换能器的共振频率和有效机电耦合系数与实验测试结果吻合,通过与单激励正交复合夹心式压电超声换能器的有效机电耦合系数对比,发现该换能器具有更高的有效机电耦合系数。     

控制超声工具头振幅分布的新方法

在超声塑料焊接中,常使用大尺寸超声工具头。为了形成均匀的焊缝,要求在超声工具头的辐射面上有均匀的位移振幅分布。本文提出了一种控制大尺寸超声工只头辐射面位移振幅分布的新方法,其装置如图1所示。在带有开槽的工具头上,在换能器驱动的一面再附加两个或更多个小的弹性部件,这些弹性部件的形状可以是等截面圆杆,也可以是变截面杆件。附加的弹性部件可视为作用于超声工具头的反作用力源,该力对工具头辐射面的振幅分布起适当的摄动作用。改变附加弹性部件的数目或形状,即可改变辐射面的位移振幅分布。     

含内部连接体的二维声子晶体弹性波宽频带隙特性

声子晶体的弹性波带隙特性使得它在开发用于减振降噪的新型功能材料方面具有广阔应用前景。为获得宽频大带隙,改进了一种含连接体的正方晶格声子晶体结构.利用有限元法计算并分析了不同结构配置下其能带特性和振动模态。数值结果表明,单胞中同时引入新的质量块以及连接体将对原连接体的自由振动模态产生抑制作用,可在原分离的两带隙频率范围内获得相对带宽超过100%的单一宽频带隙。此外,通过调整几何尺寸、连接体数目、结构对称性等参数可进一步调控结构带隙特性。      

二维空心散射体声子晶体板的低频带隙特性及其形成机理

利用有限元方法,对设计的涂有硅橡胶包裹层的空心铅柱体嵌入到4个环氧树脂短连接板中构成的声子晶体板的低频带隙特性进行了研究,分析了其能带结构、传输损失及位移场。与正方连接板粘连结构、嵌入结构和细连接短板粘连结构这3种传统声子晶体板的带隙特性作对比,说明具有包裹层、短连接板结构的声子晶体板更容易产生低频宽带;观察位移矢量场的振动模态,并结合弹簧质量模型,解释了带隙形成的机理;通过讨论连接板的宽度、散射体的内外半径及高度对第一完全带隙的影响,说明连接板宽度越窄,厚度越小,散射体内半径越小,外半径越大,高度越高,越有利于带隙的扩展。      

新型二维压电声子晶体板带隙可调性研究

设计了一种由涂有硬质材料涂层的柱状压电散射体周期性连接在四个环氧树脂薄板上构成的具有大带宽的新型二维压电声子晶体板,并利用有限元方法计算了该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场.研究表明：与二组元材料构成的传统声子晶体板相比,新设计的声子晶体板的第一完全带隙频率更低,并且带宽扩大了5倍;通过在压电体表面上施加不同的电边界条件,可以实现多条完全带隙的主动调控;压电效应对能带结构有很大的影响,并且有利于完全带隙的扩大与形成.基于带隙的可调谐性,分析了可切换路径的压电声子晶体板波导,结果表明可以通过改变电边界条件来限制弹性波能量流.     

Complete low-frequency bandgap in a two-dimensional phononic crystal with spindle-shaped inclusions

A two-dimensional phononic crystal(PC) structure possessing a relatively low frequency range of complete bandgap is presented. The structure is composed of periodic spindle-shaped plumbum inclusions in a rubber matrix which forms a square lattice. The dispersion relation, transmission spectrum and displacement field are studied using the finite element method in conjunction with the Bloch theorem. Numerical results show that the present PC structure can achieve a large complete bandgap in a relatively low frequency range compared with two inclusions of different materials, which is useful in low-frequency noise and vibration control and can be designed as a low frequency acoustic filter and waveguides. Moreover,the transmission spectrum and effective mass are evaluated to validate the obtained band structure. It is interesting to see that within the band gap the effective mass becomes negative, resulting in an imaginary wave speed and wave exponential attenuation. Finally, sensitivity analysis of the effect of geometrical parameters of the presented PC structure on the lowest bandgap is performed to investigate the variations of the bandgap width and frequency.     

一维指数形变截面有限周期声子晶体的研究

本文利用集中质量法对弹性纵波在一维指数形截面有限周期声子晶体中的传播进行了研究, 得到了频率响应函数的表达式. 与一维等截面的声子晶体相比, 指数形变截面声子晶体带隙内的衰减值随着输出端截面积的增大而减小, 同时带隙的起始频率降低而截止频率升高, 也即带隙的宽度会得到拓展. 晶格常数和材料组份比变化时, 变截面声子晶体带隙的起始频率和截止频率的变化趋势与等截面时的声子晶体相同. 希望本文的研究能够推动声子晶体在减振降噪等领域中的应用.     

嵌入压电基底蜂窝状声子晶体声表面波带隙特性

提出了将部分镍圆柱体镶入128°YX-LiNbO₃基底的二维蜂窝状压电型声子晶体。用有限元法结合低反射边界条件计算并分析了该结构的能带结构与传输损失。结果显示:与倒圆锥体结构相比,镶入型结构具有更低的声表面波(SAW)带隙,原因是将部分柱体嵌入到基底中增加了共振体的质量。通过分析带隙边缘处振动本征模态结合传输损失发现,第一SAW带隙是由局域共振机理打开,第二SAW带隙同时具有Bragg散射特性和局域共振特性。应用质量弹簧振动系统估算了第一SAW带隙的起始频率,结果为82.98 MHz。此外,讨论了柱体几何参数对带隙特性的影响。该研究为微米尺度SAW声子晶体的带隙调控奠定了一定基础。      

平板二维声子晶体声波能带结构研究

利用超元胞法,研究由钢板上生长有限长度的钢柱体形成的散射体嵌入环氧树脂基体中所构成的平板二维声子晶体的声波能带结构,分析散射体的几何参数如柱体的高、半径和板的厚度对声波带隙的影响。研究结果表明:(1)这种新型的声子晶体具有很宽的带隙,且带隙出现在低频范围内;(2)散射体的几何参数对带隙的宽度有很大的影响,它们是控制带隙宽度的主要因素。     

LCR分流电路下压电声子晶体智能材料的带隙

将带有LCR分流电路的压电陶瓷片对贴在铝和环氧树脂组成的声子晶体结构中.使智能材料的机械振动与压电陶瓷的压电效应耦合起来,推导出机械振动在压电陶瓷片上的等效附加应力;使LCR分流电路中的电磁振荡效应和声子晶体的能带特性有机结合,计算了在分流电路作用下智能材料扭转和弯曲振动的带隙特性,研究了电阻、电感、电容元件的改变对压电声子晶体智能材料带隙的影响.研究结果表明:在合理尺寸下,随着分流电路中电阻值的增大,带隙的频率范围变宽,但衰减幅值有所降低;电感和电容值的增大都可以使带隙向低频移动,带隙的衰减幅值随着电感值的增大而升高,但随着电容值的增大而降低.从而给压电声子晶体智能材料减震降噪的控制提供了一种新思路.