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两端辐射双频压电换能器的设计与研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 超声换能器综述

1.1.1 超声换能器研究现状概述

1.1.2 超声换能器的分类

1.1.3 复频超声换能器介绍

1.2 课题来源及研究意义

1.3 研究思路、方法及创新点

1.3.1 研究思路及方法

1.3.2 本文研究主要创新点

1.4 研究的主要内容

1.5 本章小结

第二章 夹心式压电换能器设计的理论分析

2.1 力电类比理论

2.1.1 简单机械振动系统分析

2.1.2 简单LCR电路系统分析

2.1.3 力电类比

2.2 细棒纵向振动分析

2.3 等效电路法设计理论

2.3.1 等效电路法设计思路、步骤

2.3.2 单频换能器设计方法

2.3.3 双激励复频换能器设计方法

2.4 压电换能器性能参数与指标

2.4.1 频率参数

2.4.2 机电耦合系数

2.4.3 机械品质因数

2.4.4 空化强度

2.5 本章小结

第三章 两端辐射双频压电换能器的设计

3.1 两端辐射双频压电换能器的介绍

3.1.1 换能器结构

3.1.2 换能器工作模式

3.2 换能器机电等效电路图的建立

3.3 频率方程组的推导

3.3.1 频率方程组建立的理论基础

3.3.2 频率方程组

3.4 换能器尺寸计算

3.4.1 换能器各部分材料及其他参数的选择

3.4.2 换能器各部分尺寸的确定

3.5 本章小结

第四章 两端辐射双频压电换能器有限元模拟仿真

4.1 ANSYS软件在换能器设计中的应用

4.1.1 ANSYS软件在换能器仿真中的分析方法

4.1.2 利用ANSYS软件对换能器进行仿真验证、优化流程

4.2 两端辐射双频压电换能器模拟仿真过程

4.2.1 换能器有限元模型的建立

4.2.2 换能器模态分析

4.2.3 谐响应分析

4.3 模拟仿真结果分析及优化

4.3.1 结果分析

4.3.2 优化设计

4.4 本章小结

第五章 换能器的制作及试验

5.1 两端辐射双频压电换能器的制作

5.1.1 换能器制作过程中对零件加工和装配的要求

5.1.2 两端辐射双频压电换能器的加工及装配

5.2 换能器参数的实验测定

5.2.1 传输线路法

5.2.2 专业阻抗特性测试仪测试

5.3 换能器匹配的一般原理及设计

5.3.1 换能器的调谐匹配

5.3.2 换能器的阻抗匹配

5.3.3 两端辐射双频压电换能器的电源匹配

5.4 两端辐射双频压电换能器水中声场试验及其分析

5.4.1 实验原理及方法

5.4.2 试验及其分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 课题结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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摘要

超声换能器是超声应用设备中核心的部件,其研究水平直接影响着超声行业的发展。为解决传统单频压电换能器在功率超声应用中存在的问题,根据实际应用的需要,本文提出了一种两端辐射双频压电换能器。该类型换能器具有两个不同的工作频率,且两端全辐射声波。为使两端辐射双频压电换能器能具体应用,本文对其进行了系统地研究。
   本研究首先对压电换能器设计的基础理论----力电类比法进行详细分析,进而得出使用等效电路法进行设计的一般思路与步骤。其次,给出两端辐射双频压电换能器的结构及其实现方式,针对现有的复频换能器等效电路设计方法的局限性,提出了新的设计方法,并推导出符合要求的频率方程组。再次,利用ANSYS软件对设计出来的换能器模型进行仿真验证及优化,得出换能器最终的加工尺寸,完成换能器样机的加工制作及参数测量,接着对换能器样机进行电源匹配。最后,通过相关空化试验对样机声场分布及超声强度情况进行了研究。由ANSYS仿真结果表明,推导出来的频率方程组是正确的。利用本文设计方法,可以根据具体应用所需的两个工作频率设计出相应的双频换能器,且设计值与实际值相差较小。相关声场的试验结果表明,两端辐射双频压电换能器能实现多种工作模式,有效地改善了传统换能器工作时声场分布不均匀的情况,增强了声波辐射效果。

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