功率超聲振動系統(tǒng)的原理及應用

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 超聲換能器簡介 1
1.2 功率超聲振動系統(tǒng)簡介 4
1.3 超聲換能器的性能參數(shù) 8
1.3.1 發(fā)射換能器和接收換能器共同要求的性能指標 8
1.3.2 對發(fā)射換能器特別要求的性能指標 10
1.3.3 對接收換能器特別要求的性能指標 11
1.4 超聲換能器的研究方法 13
1.5 超聲換能器的電聲四端網(wǎng)絡 15
1.5.1 電聲四端網(wǎng)絡研究方法 16
1.5.2 電聲四端網(wǎng)絡的一般關(guān)系式 16
1.5.3 發(fā)射型壓電換能器的四端網(wǎng)絡 17
第2章 質(zhì)點振動學基礎 20
2.1 單自由度質(zhì)點振動系統(tǒng)的自由振動 20
2.2 單自由度質(zhì)點振動系統(tǒng)的阻尼振動 22
2.3 單自由度質(zhì)點振動系統(tǒng)的強迫振動 24
2.3.1 振動速度振幅的頻率特性及機械諧振 25
2.3.2 振動系統(tǒng)的功率頻率特性*線 27
2.3.3 振動系統(tǒng)位移振幅的頻率特性*線 28
2.3.4 振動系統(tǒng)加速度振幅的頻率特性*線 31
2.3.5 振動控制原理 32
2.4 機械系統(tǒng)的力電類比 33
第3章 彈性體的振動 36
3.1 均勻截面細棒的縱向振動 37
3.1.1 均勻截面細棒縱向振動的基本理論 37
3.1.2 均勻截面細棒和電波傳輸線的類比以及細棒縱向振動的等效電路 40
3.1.3 均勻截面細棒縱向振動的固有頻率修正 41
3.1.4 有限尺寸短圓柱及厚圓盤的縱向與徑向耦合振動 43
3.1.5 幾種特殊振動體的振動分析 47
3.1.6 矩形六面體的三維耦合伸縮振動 49
3.2 均勻截面細棒的彎*振動 53
3.2.1 棒的橫振動方程 54
3.2.2 不同邊界條件下棒的彎*振動分析 57
3.3 彈性薄板的彎*振動 59
3.3.1 薄圓板的彎*振動 59
3.3.2 矩形薄板的彎*振動 63
3.4 彈性薄圓板的徑向振動 68
3.4.1 各向同性彈性薄圓盤的徑向振動 68
3.4.2 彈性薄圓環(huán)的徑向振動 73
第4章 固體中的彈性波 79
4.1 固體彈性介質(zhì)的基本特性 79
4.1.1 固體彈性介質(zhì)中的應力和應力分量 80
4.1.2 固體彈性介質(zhì)中的應變和應變分量 81
4.1.3 彈性體內(nèi)應力與應變之間的關(guān)系—廣義胡克定律 82
4.2 固體介質(zhì)中的彈性波 84
4.2.1 固體彈性介質(zhì)中的波動方程 84
4.2.2 固體介質(zhì)中的縱波和橫波 85
4.3 表面波 87
4.3.1 表面波的特性及類型 89
4.3.2 表面波的產(chǎn)生—叉指換能器 91
4.3.3 叉指換能器的等效電路 93
第5章 彈性波的傳播 98
5.1 彈性波的反射和折射 98
5.1.1 聲波在兩種非固體介質(zhì)交界面處的反射和折射 99
5.1.2 平面縱波從流體介質(zhì)入射到固體介質(zhì) 101
5.1.3 聲波入射到固液、固固介質(zhì)的分界面上 101
5.1.4 聲波通過介質(zhì)層的反射與透射 102
5.2 聲波的疊加、干涉、駐波及衍射 103
5.3 聲波的散射 105
5.4 聲波的吸收 107
5.4.1 聲吸收的研究歷史 108
5.4.2 聲吸收的種類 109
5.4.3 實際介質(zhì)的聲吸收 110
5.4.4 聲吸收理論 111
第6章 固體超聲變幅桿 114
6.1 超聲變幅桿的基本理論 115
6.1.1 變截面桿縱振動的波動方程 116
6.1.2 不同種類變幅桿放大特性的比較研究 119
6.2 指數(shù)型超聲變幅桿的理論設計 124
6.3 性能可調(diào)的縱向振動圓錐型超聲變幅桿 128
6.3.1 理論分析 129
6.3.2 電阻抗和壓電陶瓷材料對變幅桿共振頻率和放大系數(shù)的影響 132
6.3.3 變幅桿振動性能的數(shù)值模擬 136
6.3.4 實驗驗證 137
6.3.5 本節(jié)小結(jié) 139
6.4 性能可調(diào)的縱向振動階梯型超聲變幅桿 140
6.4.1 理論分析 140
6.4.2 電阻抗對階梯型超聲變幅桿性能的影響 143
6.4.3 壓電材料的位置對變幅桿性能的影響 147
6.4.4 實驗驗證 150
6.4.5 本節(jié)小結(jié) 152
6.5 性能可調(diào)的復合型超聲變幅桿 152
6.5.1 性能可調(diào)的復合型超聲變幅桿的設計理論 152
6.5.2 電阻抗對復合型超聲變幅桿性能的影響 155
6.5.3 壓電陶瓷圓環(huán)位置對復合型超聲變幅桿振動性能的影響 158
6.5.4 壓電陶瓷圓環(huán)的厚度對復合型超聲變幅桿振動性能的影響 160
6.5.5 實驗研究 162
6.5.6 本節(jié)小結(jié) 165
6.6 扭轉(zhuǎn)振動超聲變幅桿的設計理論 165
6.6.1 變幅桿的截面極慣性矩按照規(guī)律變化 166
6.6.2 變幅桿的截面極慣性矩按照規(guī)律變化 168
6.6.3 變幅桿的截面極慣性矩按照規(guī)律變化 169
6.7 縱扭復合模態(tài)超聲變幅桿的設計理論 170
6.7.1 縱扭復合模態(tài)指數(shù)型超聲變幅桿的振動特性 170
6.7.2 實驗驗證 174
6.7.3 本節(jié)小結(jié) 175
6.8 具有縱扭復合振動模態(tài)的復合型超聲變幅桿 176
6.8.1 縱扭復合振動模態(tài)變幅桿的共振頻率方程 177
6.8.2 實驗驗證 180
6.9 縱向超聲變幅桿橫向振動的頻率修正 181
6.9.1 縱向振動超聲變幅桿橫向振動的頻率修正理論 181
6.9.2 實驗驗證及結(jié)論 184
6.10 大尺寸圓形截面超聲變幅桿的近似設計理論 185
6.10.1 大截面變幅桿的近似設計理論 186
6.10.2 理論計算及實驗驗證 189
6.11 大尺寸矩形斷面超聲變幅桿的設計理論 189
6.11.1 基本理論 189
6.11.2 實驗及結(jié)論 193
6.12 大尺寸矩形截面復合超聲變幅桿的解析分析理論 194
6.12.1 大尺寸矩形截面復合型超聲變幅桿的設計理論 194
6.12.2 實驗及結(jié)論 198
6.13 超聲變幅桿的連接與夾持 200
6.14 超聲變幅桿的耦合工具頭 201
6.15 超聲變幅桿的設計和測量 202
6.15.1 變幅桿類型及所用材料的選擇 202
6.15.2 設計方法 203
6.15.3 變幅桿的測量 204
第7章 縱向夾心式壓電陶瓷換能器 207
7.1 概論 207
7.2 壓電材料的基本性質(zhì) 214
7.2.1 壓電材料發(fā)展概況 214
7.2.2 壓電材料種類 215
7.3 縱向夾心式壓電陶瓷換能器的理論分析及設計 219
7.3.1 變截面細棒的一維縱振動方程及其解 220
7.3.2 壓電陶瓷晶堆的機電狀態(tài)方程及其等效電路 224
7.3.3 縱向夾心式壓電陶瓷換能器的機電等效電路及其特性分析 226
第8章 扭轉(zhuǎn)振動功率超聲換能器 235
8.1 切向極化壓電陶瓷細長棒的扭轉(zhuǎn)振動 235
8.1.1 扭轉(zhuǎn)振動的機械方程式 236
8.1.2 電路狀態(tài)方程式 237
8.1.3 機電等效電路圖 238
8.1.4 切向極化壓電陶瓷細棒扭轉(zhuǎn)振動的頻率方程 240
8.2 切向極化壓電陶瓷薄圓環(huán)的扭轉(zhuǎn)振動 240
8.2.1 振子的機械運動方程式 241
8.2.2 壓電陶瓷薄圓片振子的電路狀態(tài)方程式 242
8.2.3 振子的機電等效圖 243
8.2.4 壓電陶瓷薄圓環(huán)振子厚度剪切振動的頻率方程 245
8.3 切向極化壓電陶瓷晶堆的扭轉(zhuǎn)振動 245
8.4 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動換能器的設計理論 248
8.4.1 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動換能器的頻率方程 248
8.4.2 討論 252
8.4.3 負載對換能器共振頻率方程的影響 253
8.4.4 換能器各部分材料參數(shù)的選取及計算 253
8.4.5 切向極化壓電元件的制作工藝技術(shù) 254
8.4.6 本節(jié)小結(jié) 254
8.5 振動模態(tài)轉(zhuǎn)換扭轉(zhuǎn)振動換能器 255
8.5.1 斜槽式縱-扭復合模式超聲換能器的等效電路 255
8.5.2 縱-扭復合振動傳振桿中斜槽的傾斜角度對系統(tǒng)共振頻率的影響 259
8.5.3 實驗 260
8.5.4 本節(jié)小結(jié) 261
第9章 彎*振動超聲換能器 262
9.1 疊片式彎*振動壓電陶瓷換能器 263
9.2 有限尺寸矩形疊板壓電陶瓷振子的彎*振動 266
9.2.1 矩形薄板繞y軸的彎*振動 268
9.2.2 矩形薄板繞x軸的彎*振動 268
9.2.3 壓電陶瓷矩形薄板彎*振動的共振頻率 269
9.2.4 彎*振動矩形薄板的幾種特殊振動模式 270
9.2.5 實驗驗證 271
9.3 夾心式彎*振動壓電陶瓷換能器 272
9.3.1 夾心式彎*振動壓電陶瓷換能器的波動方程分析法 272
9.3.2 夾心式彎*振動壓電陶瓷換能器的近似設計理論 276
9.3.3 考慮壓電效應夾心式彎*振動換能器的波動方程分析法 280
9.4 模式轉(zhuǎn)換型彎*振動換能器 285
9.4.1 縱向換能器與細棒組成的彎*振動換能器 286
9.4.2 縱向振動換能器與圓盤組成的模式轉(zhuǎn)換型彎*振動換能器 288
9.4.3 縱向夾心式壓電陶瓷換能器與矩形薄板組成的模式轉(zhuǎn)換型彎*振動換能器 294
9.5 壓電陶瓷片與金屬盤(等厚度)組成的彎*振動換能器 301
9.5.1 運動方程 301
9.5.2 邊界條件 303
9.5.3 頻率方程 304
9.5.4 數(shù)值計算及模擬仿真結(jié)果 306
9.5.5 本節(jié)小結(jié) 309
9.6 均勻厚度復合圓盤彎*振動換能器的優(yōu)化設計 309
9.6.1 均勻厚度復合圓盤彎*振動換能器振動特性的數(shù)值模擬 309
9.6.2 均勻厚度復合圓盤彎*振動換能器的輻射聲場 315
9.6.3 實驗測試 321
9.6.4 本節(jié)小結(jié) 324
9.7 壓電陶瓷片與金屬盤(變厚度)組成的彎*振動換能器 325
9.7.1 線性漸變厚度復合圓盤彎*振動換能器的優(yōu)化設計 325
9.7.2 實驗測試 332
9.7.3 本節(jié)小結(jié) 334
第10章 徑向夾心式壓電陶瓷換能器 336
10.1 概述 336
10.2 縱向極化的徑向夾心式壓電陶瓷換能器 339
10.2.1 彈性圓盤的徑向振動 339
10.2.2 彈性薄圓環(huán)的徑向振動 343
10.2.3 縱向極化壓電陶瓷實心圓盤的徑向振動 347
10.2.4 縱向極化壓電陶瓷薄圓環(huán)的徑向振動 353
10.2.5 厚度極化的徑向復合超聲換能器—“壓電陶瓷圓盤+金屬圓環(huán)” 359
10.2.6 縱向極化徑向振動壓電陶瓷復合換能器—“壓電陶瓷圓環(huán)+金屬圓環(huán)” 364
10.2.7 徑向夾心式壓電陶瓷換能器—內(nèi)質(zhì)量塊為金屬圓盤 369
10.2.8 徑向夾心式壓電陶瓷換能器—內(nèi)質(zhì)量塊為金屬圓環(huán) 37