基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

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.     

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。     

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。     

纵振合成超声振动系统的研究

本文研究由磁致伸缩换能器驱动的纵向振动合成超声振动系统。文中介绍了结构设计,研究了声波导横向尺寸、驱动换能器数量及安装位置以及输入电功率对合成振动系统输出端位移振幅的影响,给出实验结果。由4个换能器组成的合成振动系统,当输入电功率为2.2KW时,在直径为20mm的输出端得到近300μm的双振幅。用于冷拔精密高压油管,产品精度达到西德DIN 7300A级国际水平。     

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．     

二维正方晶格多点缺陷声子晶体实验研究

基于超声浸水透射技术, 实验研究了有限尺寸二维正方晶格钢/水声子晶体多点缺陷模态性质. 利用COMSOL Multiphysics软件建立该声子晶体有限元计算方法, 求解了9×9超胞多点缺陷声子晶体能带结构, 把缺陷局域模态频率与数值仿真和实验结果进行对比, 结果表明: 实验数据和理论值能够很好符合. 进一步分析发现, 点缺陷数量影响声波局域效应、本征模态和传播特性, 为设计有限尺寸声波器件提供理论依据. 关键词： 声子晶体 多点缺陷 实验研究 有限元     

压电管堆式宽带换能器*

研究了一种具有管状叠堆结构的圆管换能器,其敏感元件是由纵向极化压电陶瓷单元组成的薄壁管状压电叠堆,探讨利用管状叠堆纵向和径向振动耦合实现宽带发射。利用压电柱壳振动理论推导了管堆的频率方程,分析了换能器的纵向和径向模态的振动耦合特性。在理论分析的基础上利用有限元方法对换能器的带宽和发射电压响应进行优化并研制换能器样机。测试结果表明,纵向极化的管状压电叠堆结构具有良好的发射电压响应和宽带特性,与理论及仿真结果相符。     

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。     

1-3型压电复合材料宽带水声换能器研究

1-3型压电复合材料换能器具有重量轻、声阻抗率低等优点,复合材料换能器带宽的拓展一般采用匹配层的方法.采用厚度振动模态理论、横向模态理论和有限元方法对1-3型压电复合材料换能器进行研究,应用ANSYS软件建立换能器的有限元模型,然后进行结构优化,最终制作了一个利用厚度振动模态和一阶横向模态的1-3型压电复合材料宽带换能...     

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。     

基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

基于传输矩阵法的任意变厚度环型压电超声换能器

变厚度环型径向振动压电超声换能器可以实现阻抗变换、能量集中,具有辐射面积大、全指向性等优点,在功率超声、水声等领域被广泛应用.由于求解复杂变厚度金属圆环径向振动的波动方程比较困难,本文使用传输矩阵法将变厚度金属圆环的径向振动转化为N个等厚度金属圆环径向振动的叠加,得到了任意变厚度金属薄圆环径向振动的等效电路图、共振频率方程和位移放大系数表达式,分析了锥型、幂函数型、指数型、悬链线型金属圆环的位移放大系数与几何尺寸的关系.在此基础上,推导了由任意变厚度金属圆环和等厚度压电圆环复合而成的压电超声换能器径向振动的等效电路和共振频率方程.为了验证理论结果的正确性,使用有限元软件进行仿真,所得一阶、二阶的共振频率和位移放大系数的数值解与理论解符合较好.本研究给出了任意变厚度金属圆环径向振动的普适解,为设计和优化径向压电超声换能器提供了理论指导.     

锥变截面管形超声振动系统的设计

设计了一种锥变截面管形超声振动系统,振动系统由夹心式压电换能器和锥形变截面金属圆管组成。推导了锥变截面管形超声振动系统的等效电路和谐振/反谐振频率方程。利用等效电路法、有限元法对锥变截面管形超声振动系统进行了分析设计并制作了相应的实验样品。研究结果表明,锥形变截面管的等效电路为一种新型的非互易二端口等效网络;锥变截面管形超声振动系统具有较好的频率隔离性、较大的位移振幅和均匀的振动位移输出。该超声振动系统可望在超声连续缝焊、环形部件的超声切割和超声钻孔等领域获得应用。      

超声换能器表面的振动状态

从超声波在波密介质和波疏介质之间的传播以及诱发共振发射超声波的角度,讨论了空气中超声声速测量实验所用超声换能器的表面振动状态.理论分析及实验测量结果表明:超声换能器表面振动状态与其结构有关,超声接收器表面位移振幅一般不为零.     

二维声子晶体同质位错结缺陷态特性

利用平面波展开法结合超原胞的方法研究了二维声子晶体同质位错结的缺陷态.分别研究了横向位错和纵向位错两种情况，研究结果表明：横向位错效应与线缺陷相似，它可以使处于禁带频率范围内的声波沿位错通道进行传播，形成声波导；纵向位错效应则类似于点缺陷，位错线两边三个最接近的散射子形成腔，因而能够产生局域模.另外，横向位错距离和纵向位错距离的大小将影响缺陷带的位置和数量，因此，可以通过调节横向位错距离或纵向位错距离来人为的控制同质位错结中的缺陷带. 关键词： 声子晶体 同质位错结 缺陷态     

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.     

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.     

固/固型二维正方晶格声子晶体缺陷态研究*

固/固型声子晶体在抑制噪音和隔离振动等工程领域有着潜在的应用。利用有限元方法对存在缺陷的二维正方晶格金/环氧树脂声子晶体进行了研究,数值计算结果表明弹性波在点缺陷处局域,带隙中出现多条缺陷模,点缺陷数目的增加对声子晶体局域特性产生显著影响;弹性波沿着线缺陷传播形成波导,改变线缺陷结构可以改变弹性波传播方向和实现信号的分离。对声子晶体缺陷特性的研究可为声学滤波器和波导等器件的设计提供参考。