纵弯复合模式超声换能器设计

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超声换能器的原理及设计

超声换能器的原理及设计超声波换能器是超声波焊接机的高频机械振动源及作用，就是将超声波发生器输出的电能或者磁能转换成相同频率的机械振动，超声焊接机用的换能器，目前有两种，一种是，磁致伸缩型换能器，另一种是压电陶瓷换能器磁致伸缩式换能器，由于效率低，性价比低，还需外加直流极化磁场，因此目前超声焊接机已经很少使用。

压电陶瓷换能器基本原理是建立在晶体材料的压电效应基础上的，这种材料为压电晶体材料，在超声焊接机主要用的是压电陶瓷产量，这种材料在成熟外地发生形变时，在压电陶瓷晶体表面，会出现电荷，晶体内部产生电场，反之，当晶体呈受外电场作用时，金片会发生形变，这种现状称之为压电效应，前者称正电效应，或者称逆电效应。

超声波换能器是超声振动系统的核心部件，超声波换能器设计的好坏，关系到焊接机工作的效率，稳定性及寿命等，在市场上采用大部分的压电陶瓷换能器，按照振动形式区别种类很多，如径向振动模式，纵向复合式振动模式，剪切振动模式，厚度振动模式等。

超声波塑料焊接机工作时加工塑料工件，需要的是高频率的纵向振动。

使得工件的上下模上下高频振动融化焊接层得到焊接效果。

压电换能器的结构：压电陶瓷换能器的结构，由压电陶瓷晶片，电极片，前后盖等组成。

后盖板一般用质量较大的钢制成前盖板由质量轻的，高强度铝合金或者钛合金制造而成，它是利用了压电陶瓷的纵向效应器，陶瓷元件的极化方向，电场方向，机械振动方向，三者一致。

这种换能器称纵向复合振动换能器，它的长度方向尺寸远大于它们的宽度。

图3-1为国内外焊接机常用的政治使用图与结构图，图中两端是两块金属盖板，中间是压电陶瓷元件堆，压电陶瓷一般是纵向极化的带孔圆片，一根应立螺杆，将这三部分紧固在一起着，称为预应力螺杆。

他只陶瓷元件，具有较大的抗压强度，同时在大功率驱动下，陶瓷元件取压缩状态，从而避免膨胀所造成的破裂这种换能器通过改变前后盖的材料尺寸来控制换能器的频率带宽，前后增速比和有效机电耦合系数等性能参数。

定子尺寸与电机结构设计

第四章定子尺寸与电机结构设计本章主要讨论定子的结构及其材料和压电陶瓷选取，从而根据公式确定定子的尺寸结构，由于在同一种材料中纵向振动的声速与弯曲振动的声速不同，且弯曲振动的声速还与频率有关。

为了保证两种振动模式在高频信号激励下能同时处于共振状态在设计的过程中也尽量的考虑纵振与弯振的频率兼并问题；在定子尺寸确定之后设计了几种不同结构的电机。

4.1电机定子部分设计4.1.1.纵弯复合模式换能器的设计原理[56]一维结构的纵弯换能器中有两组陶瓷片,一组产生纵振动, 一组产生弯曲振动. 本文研究的换能器结构如图1所示. 1, 3部分为陶瓷片(箭头表示极化方向) ; 2, 4 部分为前后盖板, 换能器关于中心面对称. 产生纵振动和产生弯曲振动的陶瓷片在电端上并联, 以便获得较高的激励电压。

弯曲振动方程，细棒弯曲振动的波动方程为：(4-1) 式中, y 为振动位移; r 为回转半径; E 为杨氏模量; ρ为振子材料密度。

(1) 式的通解为:()cos sin cos(),y Achmx Bshmx C mx D mx t ωϕ=++++ （4-2）式中2,m f ωπ==为激励电压频率; 0c =把波动方程的通解应用于压电陶瓷片, 由于换能器关于中心对称, 可考虑用偶对称振动模式, 即振动位移关于中心对称的振动模式, 不用奇对称振动模式. 奇振动模式的中心为节面, 难以激发横向振动. 在偶对称振动模式中, 只有含chmx 和cosmx 的项存在, 所以, 压电陶瓷片的振动位移y 1为(略去时间因子)（4-3）224240y Er y t x ρ∂∂+⋅=∂∂1111111cos y Achm x c m x =+式中m =1c =因为压电陶瓷存在压电效应,可用331/E s 代替杨氏模量, 弯曲振动的应变S 3 为（4-4）式中z 为陶瓷片上任意一点到中性面的距离，y 为横向位移。

纵向力相对于中性面产生的弯矩为(4-5) 3T 由压电方程：， (4-6)给出, 从而有 (4-7)把(4-7) 式代入(4-5) 式, 得： (4-8)把(4-4) 式代入上式, 计算等号右边第一项得(4-9)式中A 为陶瓷片的横截面积.，陶瓷片为薄片, 故有 (4-10)利用(4-10) 式, 可得： (4-11) 把上式与(4-1) 式比较, 即得：（4-12) 将波动方程通解(4-2) 式应用于换能器前盖板, 可得盖板振动位移y 2为(4-13) 式中2m =2c =. 换能器在陶瓷片和前盖板连接处的边界条件为弯曲位移连续:即有 (4-14)232y S z x∂=-∂3x M zT dS =⎰3333333E S s T d E =+3333333D d T dE =+()33333331E T S d E s =-333333331x E E d T M S zds zds s s =-⎰⎰2233323333x E E d T Ar y M zds s x s ∂=--∂⎰0x E x∂=∂42334220E s y y x r t ρ∂∂+⋅=∂∂1c =2222222222222cos sin y A chm x B shm x C m x D m x =+++110212x x l y y ===弯角连续: (4-15)弯矩连续: (4-16)剪力连续: (4-17)前盖板输出端弯矩为零: (4-18) 前盖板输出端剪力为零: (4-19) 式中r 为截面回转半径, S 1和S 2 分别为陶瓷片和前盖板横截面积, 把(4-3)、(4-13) 式相应代入(4-14)～ (4-19) 式, 可得6 个方程, 写成矩阵形式有(4-20) 其中（4-21)式中2;;i i I i i i i i p E I m T E I m == i T 为截面的二次矩, ;1,2i i i u m l i ==由(4-2) 式可得弯曲振动的频率方程为：(4-22) 图4-1 中3, 4 部分弯曲振动的频率方程同右半部分一样. 因为换能器关于中心对称, 有，设计时按右半部分计算, 左半部分尺寸与右半部分相同.激发图4-1中第3 部分, 可在换能器中产生纵振动. 换能器左半部分纵振动频率方程为（4-23） 01121212x l x y y x x ==∂∂=∂∂112222212112222120;x l x y y E r s E r s x x ==∂∂=∂∂011233221211223312x l x y y E r s E r s x x ==∂∂=∂∂2222222220.x l y E r s x =∂=∂2232222330.x l y E r s x =∂=∂[][]2222220T a A B C D AC =[]11221111221111221111222222221010cos 00sin 00cos 00sin cos sin 00sin cos 00chu u m m m shu m u p p p chu p u a T T T shu T u chu shu u u shu chu u u --⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪--= ⎪--- ⎪ ⎪-- ⎪ ⎪-⎝⎭334434/tgk l tgk l z z =0a =1324,l l l l ==式中如前所述, 换能器左右对称, 因此, 各参数对应相等, 即有余类推. 右半部分纵振动频率方程类似(4-23) 式, 只要把3 换成1, 4 换成2 即可.根据换能器频率方程, 可求出换能器各部分尺寸l 1,l 2,l 3,l 4,利用(4-22) 和(4-23) 式, 即可设计换能器在单一模式下的谐振尺寸, 但对于复合振动模式, 必须使纵振动和弯曲振动同时工作在谐振状态. 因此要调整换能器尺寸, 使两种振动模式在同一频率下都达到谐振. 由于纵振动频率高, 弯曲振动频率较低, 可使纵振动工作在基频模式, 弯曲振动工作在泛频模式.(4-22) 和(4-23) 式是超越方程, 很难求得解析解, 必须借助计算机用数值法求解. 我们设计了一个纵弯复合振动换能器, 其纵振动为基频模式, 弯曲振动为第二偶振动模式为实现电机的运动机理和提高电机的输出性能,电机的设计应满足以下几个方面的要求:a.选择合适阶次的纵、弯振模态;b.纵振、弯振频率要保持良好的一致性;c.定子的头部应具有尽可能大的振幅;d.压电元件应安放在应变最大的位置上;e.安装支座应尽量靠近节面,定、转子间要施加合适的预压力,避免模态干扰等等。

超声换能器设计方案

超声换能器设计方案
超声换能器是一种将电能转化为声能的装置。

它是超声波传感器中的核心部件，常用于医疗、工业和民用领域。

超声换能器设计方案应充分考虑以下几个方面：
1.材料选择：超声换能器需要使用具有良好声波传导性能的材料，常用的材料有铅锆酸钛陶瓷、PZT陶瓷等。

选择合适的材料可以提高声能的转化效率。

2.结构设计：超声换能器通常由活塞、震荡平台和壳体组成。

活塞是将电能转化为声能的关键部件，应设计成能够有效振动的形状，并与震荡平台紧密连接，以提高振动的传导效率。

壳体应具备良好的密封性能和机械强度，以保护内部组件不受外界环境的影响。

3.电路设计：超声换能器需要与外部电源相连，电路设计应考虑电源适配、信号放大以及保护等方面。

合理设计电路可以提高超声换能器的工作效率和稳定性。

4.尺寸和频率选择：超声换能器的尺寸和频率选择应根据具体应用需求来确定。

如果需要通过物体进行穿透检测，通常选择低频超声换能器，尺寸较大。

而在医疗领域，常选择高频超声换能器，尺寸较小。

5.测试和验证：设计完成后，需要进行测试和验证。

测试可以通过测量声能的输出量来评估超声换能器的性能。

验证可以通
过实际应用场景中的测试来验证超声换能器的可靠性和稳定性。

总之，超声换能器设计方案需要综合考虑材料选择、结构设计、电路设计、尺寸和频率选择等多个方面。

通过合理的设计，可以提高超声换能器的性能和可靠性，满足具体应用需求。

基于有限元模型的纵扭复合超声换能器优化设计

研究。
８８
东莞理工学院学报
图１换能器变幅杆轴截面
图２换能器变幅杆圆筒横截面
基于纵扭复合振动的理论，径向分力使系统产生纵向振动，而切向分力将产生扭转振动。在纵向振
动与扭转振动的分界面由切向分力产生一个扭矩，可表达如式（３）：
ＦＬ：Ｆｃｏｓ０，（１）
Ｆ＝Ｆｓｉｎ０，
（２）
式中：０为槽口的螺旋升角。
收稿日期：２０１６—０９—１９
作者简介：杨宇辉（１９８８一），男，广东茂名人，助理工程师，硕士，主要从事超声器件的结构设计与应用、特种加工和数控技术等
ｄＳ：２ｒｃｒｄｒ，
（４）
十分重要的现实意义 ¨ 。
针对上述情况，国内外学者对有关问题都进行了积极的理论研究与实验分析。关于纵扭复合模式超声振动的产生，国内学者林书玉提出了两种实现方式。一种是通过振动模式的转换，该方式可产生大的功率，但能量转换效率不高；另一种是通过切向极化晶堆产生的扭转振动，其理论设计基本成熟，但功率容量不大。日本学者上羽贞行等提出了应用于超声电机的斜槽式的振动模式转换的纵扭复合
：
Ｊｆｒ厂ｄ．ｓ，
（３）
式中：－厂为分界面上单位面积切向力，Ｓ为分界面圆筒的横截面积，ｒ为圆筒内任意位置处的截面半径。

纵－扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究

纵－扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究袁松梅;刘明【摘要】纵－扭复合超声振动加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视，针对该种需求，设计了一种纵－扭复合超声振动加工系统，基于有限元方法对该类系统普遍存在的频率简并问题进行了研究。

利用数值解析方法设计出超声换能器和超声变幅杆，之后在变幅杆上做出螺旋槽，一部分纵向振动转换为扭转振动；以目标频率附近的纵、扭谐振频率尽量接近为原则，利用有限元软件分析系统的结构参数对纵、扭谐振频率的影响规律，实现频率简并；在此基础上对系统进行模态分析和瞬态动力学分析，结果表明系统可以实现纵－扭复合超声振动，验证了此种频率简并方法的有效性和实用性。

%Longitudinal-torsional composite ultrasonic vibration machining technique attracts more and more attentions in hard and brittle materials machining,for this kind of requirement,a longitudinal-torsional composite ultrasonic vibration machining system was designed,the frequencies merging problem existing in this kind of system was studied based on the finite element analysis.An ultrasonic transducer and a composite horn were designed using the numerical analysis method.After-ward,helical slots were made on the horn,parts of its longitudinal vibrations were converted into its torsional vibrations.Based on the principle that “the closer the longitudinal natural frequencies and the torsional natural ones,the better the results”,the offects of the system's parameters on its longitudinal natural frequencies and torsional natural ones were analyzed with a finite element analysis software to realize its natural frequencies merging. At last,the system'smodal analysis and transient dynamic analysis showed that the system can realize longitudinal-torsional composite ultrasonic vibration,the effectiveness and applicability of this kind of frequencies merging method are verified.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)005【总页数】6页(P8-13)【关键词】纵 -扭复合超声振动;螺旋槽;频率简并;有限元分析【作者】袁松梅;刘明【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191; 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心，北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191; 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TH122;TH113.1随着科技的发展，超声振动加工(Ultrasonic Machining, USM)在硬脆材料加工中得到越来越多的应用[1]，作为一种超声加工形式，纵-扭复合超声振动技术在许多领域也得到了日益广泛的应用。

超声技术的基石_超声换能器的原理及设计

声学换能器技术专题超声技术的基石———超声换能器的原理及设计3林书玉(陕西师范大学物理学与信息技术学院　西安　710062)摘　要超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件,它是超声技术中的关键器件,其性能好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围.由于超声技术的应用范围很广,且超声新技术层出不穷,因而与此对应的超声换能器的种类也很多.文章对不同应用背景下多种类型超声换能器的原理及设计进行了阐述,分析了不同类型超声换能器的性能参数及设计要求,简要总结了超声换能器的性能参数测试方法,并对超声换能器的发展趋势进行了一定的分析.关键词超声换能器,功率超声换能器,检测超声换能器,电声效率,灵敏度,功率容量Founda ti ons of ultra son i c technology ———the theoryand desi gn of ultra son i c transducersL IN Shu 2Yu(College of Physics and Infor m ation Technology,Shaanxi N or m al U niversity,X i ′an 710062,China )Abstract U ltras onic transducers convert electric signals into acoustic signals in the ultras onic frequency range,or vice versa .They are key devices in ultras onic technology and their perfor mance deter m ines the effectiveness and uses of ultras onic technology .Because of their diverse app lications,there are many types of ultras onic transduc 2ers .I n this paper,various transducers for different app lications are described,and their theory,design and per 2for mance requirements are analyzed .Their characterizati on is als o outlined,and development trends are analyzed .Keywords ultras onic transducers,po wer transducers,detecti on transducers,electr o 2acoustical efficiency,sensitivity,power capacity3　国家自然科学基金(批准号:10674090)和教育部博士点基金(批准号:20050718003)资助项目2008-09-11收到　Email:sylin@snnu .edu .cn1　概述1.1　引言超声技术出现于20世纪初期.它是以经典声学理论为基础,同时结合电子学、材料学、信号处理技术、雷达技术、固体物理、流体物理、生物技术及计算技术等其他领域的成就而发展起来的一门综合性高新技术学科.近一个世纪的发展历史表明,超声学是声学发展中最为活跃的一部分,它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用,而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航天等高技术领域.超声学主要研究超声波在不同介质中的产生、传播、接收、信息处理及有关的效应等问题.超声物理和超声工程是超声学的两个主要方面.超声物理是超声工程的基础,它为各种各样的超声工程应用技术提供必需的理论依据及实验数据.超声工程的研究内容主要包括各种超声应用技术中超声波产生、传输和接收系统的工程设计及工艺研究.超声在介质中传播时会产生许多物理、化学及生物等效应,同时因为超声穿透力强、方向性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线检测和诊断而实现无损检测,因而在工业、农业、国防、生物医药和科学研究等方面得到广泛的应用.超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将声信号转换为电信号的能量转换器件,它是超声设备中的关键器件,因而无论在换能机理还是工艺设计等方都受到了人们的长期关注.1.2　超声换能器的种类超声换能器的种类很多.按照能量转换的机理和所用的换能材料,可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器(电容型换能器)、电磁声换能器、机械型超声换能器等.按照换能器的振动模式,可分为纵向(厚度)振动换能器、剪切振动换能器、扭转振动换能器、弯曲振动换能器、纵-扭复合以及纵-弯复合振动模式换能器等.按照换能器的工作介质,可分为气介超声换能器、液体换能器以及固体换能器等.按照换能器的工作状态,可分为发射型超声换能器、接收型超声换能器和收发两用型超声换能器.按照换能器的输入功率和工作信号,可分为功率超声换能器、检测超声换能器、脉冲信号换能器、调制信号换能器和连续波信号换能器等.按照换能器的形状,可分为棒状换能器、圆盘型换能器、圆柱型换能器、球形换能器及复合型超声换能器等.另外,不同的应用需要不同形式的超声换能器,如平面波超声换能器、球面波超声换能器、柱面波超声换能器、聚焦超声换能器以及阵列超声换能器等等.1.3　超声换能器的性能参数超声换能器是一种能量转换器件,其性能描述与评价需要许多参数.超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等.不同用途的换能器对性能参数的要求不同,例如,对于发射型超声换能器,要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率;而对于接收型超声换能器,则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等.因此,在换能器的具体设计过程中,必须根据具体的应用,对换能器的有关参数进行合理的设计.1.4　超声换能器的分析方法超声换能器包含了电路系统、机械振动系统和声学系统,并且三者在换能器工作时,有机地结合在一起成为一个统一的整体.这样就决定了对它的研究方法是融合了电子学、力学、声学等诸方面的研究方法,并且通过电-力-声类比,使三者能够用统一的等效机电图和等效方程式,方便地进行对其深入的研究.为了确定换能器的工作状态,必须求出它的机械振动系统的状态方程式和电路系统状态方程式.换能器机械系统的状态方程式(简称为机械振动方程)是换能器处于工作状态时,描写它的机械振动系统的力与振速的关系式,而电路系统的状态方程式(简称电路状态方程式)是描写电路系统的振动特性的.由于换能器的机械系统和电路系统是互相耦合的,所以机械系统的振动会影响到电路的平衡,而电路的变化也会影响到机械系统的振动,因此我们总是利用这些方程组分析、讨论换能器的工作特性.由上述换能器的三组基本关系式,可以对应地作出换能器三种形式的等效图.第一种是等效机械图,将换能器等效为一个纯机械系统的等效图;第二种是把机械一边的元件和参量,通过机电转换化为电路一边的元件和参量,即把一个换能器等效为一个纯电路系统,称此为等效电路图;第三种称为等效机电图,同时包含电路一边和机械一边的等效图.利用这些等效图可以简便地求出换能器的若干重要的性能指标.另外,随着数值计算技术的发展以及新型换能器的研发,数值计算方法在换能器的分析中获得了广泛的应用.在超声换能器的设计过程中,有限元计算方法得到了青睐,其中最普遍的商用软件就是ANSYS.其中与换能器设计有关的问题主要是结构分析、压电耦合分析、流体-结构耦合分析,有时还要用到电磁场分析、热分析等.用ANSYS设计分析换能器的突出优点是不受换能器结构及尺寸的限制,可进行复杂结构换能器的设计.利用有限元软件进行换能器的设计能方便地计算出换能器的谐振频率,观察谐振时换能器各部分的位移分布,得到换能器的导纳曲线、发射接收的频率响应曲线和指向性图,还可进行换能器的结构优化.2　功率超声换能器在功率超声领域,声能的产生主要通过三种方法,即流体动力法、压电效应法以及磁致伸缩效应法[1—9].流体动力型超声发生器包括气流声源和液体动力声源两种.气流声源是一种机械式的声频或超声频振动发声器,它依靠气流的动能作为振动能量的来源,可分为低压与高压声源两种.低压声源也称为哨,如通常的哨子及旋涡哨等.高压声源包括哈声学换能器技术专题特曼哨及其各种变异体等.低压气流声源的效率较高,可达30%左右,但声功率不高,通常不超过数瓦.高压声源的效率较低,但可获得较大的声功率.流体(液体)动力发生器声源是将液态流体中的涡流能量转换成声波辐射的一种声波换能器.它的工作原理是利用由喷嘴出来的射流与一定几何形状的障碍物(腔体)的相互作用,或者利用周期性地强迫射流中断的方法使液体媒质发生扰动,从而产生某种形式的速度场与压力场.流体动力发声器能在相当宽的频带内工作,能在0.3至35千赫频带内辐射1.5—2.5W /c m 2的声强.流体(液体)动力发生器声源的优点是可以廉价地获得声能,结构简单.液体流一方面是产生振动的动力源和振动体,另一方面又是传播声波的载体,因此易于声匹配.流体动力型超声发生器的主要应用包括气体中的超声除尘、空气中尘埃的凝聚、气体和重油的阻燃、加速热交换、超声干燥、超声液体处理、超声化学、超声除泡沫以及液体中的油水乳化、加速晶体化过程等.利用流体动力法产生超声的装置主要包括用于气体中的葛尔登哨、哈特曼哨及旋笛,用于液体中的簧片哨(见图1),以及可同时用于气体和液体中的旋涡哨等.图1　可在液体中产生超声的金属簧片哨基于压电效应原理工作的换能器统称为压电换能器.在功率超声领域,应用最广的是夹心式压电换能器,又称为复合棒换能器或郎之万换能器(见图2).除了常用的纵向振动模式换能器外,为适应功率超声新技术的需要,发展了扭转振动模式、弯曲振动模式、纵-扭以及纵-弯复合模式功率超声换能器.其分析理论已经从一维发展到了三维.除了传统的等效电路法和波动方程法以外,一些近似的分析方法,如等效弹性法以及有限元法等,在大尺寸功率超声换能器的分析中得到了广泛的应用.一些大型的数值分析软件,如ANSYS 等,不仅可以分析换能器的振动模式和共振频率,而且可以给出换能器任意位置及任意时刻的应力和应变状态以及位移分布,非常适用于换能器的优化设计.目前,功率超声换能器的工作频率也从常用的较低频率(如20kHz ),发展到了较高频率(如几百千赫兹甚至兆赫兹数量级),如应用于硅片清洗的兆赫兹换能器和用于集成电路微点焊机的小型高频超声焊接机.另外,换能器的工作频率也从单一工作频率发展到了多个工作频率.例如用于超声清洗中的复频换能器和宽频换能器等,以及用于超声焊接中的双工作频率超声振动系统等.单个换能器的功率容量也从几十瓦发展到几百瓦甚至几千瓦.图2　夹心式压电陶瓷超声换能器在压电超声换能器的发展过程中,压电材料的性能提高是关键.据报道,国内外的相关单位已研制出一类新的压电单晶材料(P MN 2PT 及PZ N 2PT ),其压电常数是现有的传统压电材料(如锆钛酸铅材料)的几倍乃至几十倍,但这种材料的工作频率上限还需进一步提高.可以预计,这种材料一旦商品化,换能器的功率容量以及振动位移将发生革命性的变化.另外,现有的压电陶瓷材料绝大部分都采用铅基的压电材料,但是由于国际环境保护法的实施,对无铅压电材料的研制提高到了一个新的高度,目前国内已有相当多的关于无铅压电陶瓷的研究报道,但真正能用于功率超声换能器且和锆钛酸铅陶瓷材料相媲美的廉价的无铅压电陶瓷材料实际上不存在.磁致伸缩换能器是基于某些铁磁材料及陶瓷材料所具有的磁致伸缩效应而制成的一种机声转换发声器件(见图3).传统的磁致伸缩材料包括镍、铝铁合金、铁钴钒合金、铁钴合金以及铁氧体材料等.与压电超声换能器相比,由传统的磁致伸缩材料制成的磁致伸缩换能器的应用范围已经很小,造成这种情况的原因在于磁致伸缩换能器的机电转换效率较低,而且其激励电路较复杂.然而随着材料科学技术声学换能器技术专题的发展以及稀土超磁致伸缩材料的研制成功,磁致伸缩换能器又受到了一定的重视.预计将来不久,利用稀土超磁致伸缩材料制成的大功率换能器将在超声技术中获得大规模应用.图3　磁致伸缩超声换能器示意图3　检测超声换能器检测超声换能器是实现产生和接收超声信号的主要器件.随着无损探伤技术的发展,对检测超声换能器的理论探讨和设计制作,受到了广泛的重视.目前检测超声换能器主要是利用压电材料制成的压电陶瓷超声换能器、静电换能器以及电磁声换能器等.在无损检测领域,人们常常称其为超声探头.图4所示为一个传统的压电式超声检测用纵波直探头.图4　检测超声换能器探头是与超声探测的方法紧密地联系在一起的.由于超声检测的应用领域广泛,超声检测的方法很多,因而超声探头的种类也是多种多样的.用于主动式超声检测的探头有:按频谱分有宽带窄脉冲探头和窄带连续波探头,以及冲击波探头、特高频探头和特低频探头;按工作波形分有直角纵波探头和斜角横波探头、板波探头、表面波和爬波探头;按耦合方式分有直接接触探头和水浸探头;按波束分有不聚焦的平探头和聚焦探头;按工作方式分有单探头、双探头、机械扫描和电子切换探头、电子束扫描相控阵探头等;按工作的环境分有高温探头、微型探头、高压探头等.被动工作式声发射探头有多模探头、波形鉴别和定位探头、小频率窗口的窄带探头和大频率窗口的窄带探头等.声学振动检测法探头有声阻法探头、声撞击探头、福克仪探头、硬度计探头、粘度计探头、加速度计探头、压力传感器探头等.此外还有科研用的一些特殊探头,如用于声场测试的微型探头、脉冲响应测试的宽带探头以及灵敏度校准的标准探头等.超声检测换能器大都工作在暂态状态下.换能器的暂态特性的研究实际上就是探讨探头在脉冲信号下的信号传输的特性,主要包括以下几部分内容.第一,探头在已知电脉冲的激励下,在负载中产生的超声波脉冲响应特性.第二,在一个已知的超声波脉冲的作用下,超声探头输出的电脉冲响应特性.第三,在已知的电脉冲的作用下,探头在负载中产生的超声脉冲由界面反射回来后又被探头接收输出的电脉冲响应特性等.以上三种情况也就是通常所说的超声发射、接收以及又发又收特性.超声探头的这些特性,不仅与探头的结构(背衬、压电片、匹配层和保护膜)和工作模式(纵波、横波、表面波及板波等)有关,还和超声波发生器的内阻和接收器的输入阻抗有关,而且还与激励信号的波形(发射时的电压波形以及接收时的入射声波波形)等有关.因此系统完整的有关探头暂态特性的分析内容是相当丰富的,而且与换能器的稳态特性相比,换能器的暂态特性的分析要复杂得多.检测超声换能器要求有高的灵敏度和信噪比.在噪声电平一定的情况下,增大有用信号的方法有两种,一是增加激励源电压,也就是增加发射声功率,然而这必须是有限度的,因为增加声功率一方面可能造成对检测物体或人体有害,另一方面也增加了电路的难度.第二种方法则是提高换能器的灵敏度,这是衡量检测超声换能器好坏的一个重要标志.换能器的灵敏度与换能器和电源内阻间的阻抗匹配密切相关.由于检测超声换能器的声负载(待探测物体)的声阻抗率与换能器材料严重失配,灵敏度往往较低.为了提高换能器的灵敏度,需要采用声匹配和电路匹配方法.声、电匹配可以使换能器的频带变宽,插入损耗减小,因而换能器的灵敏度提高,在同样激励源和背景噪声的情况下,信噪比也提高.此外,为了获得微小缺陷所必要的分辨率,要求声学换能器技术专题超声换能器有较高的纵向和横向分辨率等.目前提高换能器纵向分辨率的主要方法包括提高换能器的工作频率以及改善换能器的脉冲响应,实现宽带窄脉冲.另外,声、电匹配不仅可以提高换能器灵敏度,而且可以改善脉冲响应特性,从而提高系统的纵向分辨率.超声检测系统的横向分辨率是由换能器的声束宽度来决定的,为了提高换能器的横向分辨率,最有效的办法就是采用聚焦超声换能器,例如球型压电聚焦换能器、透镜聚焦换能器以及相控阵电子聚焦换能器等.4　超声换能器的性能测试在超声技术中,为了评价超声振动系统的性能以及超声的作用效果,必须对超声换能器的性能参数进行测试[10—15].超声换能器的各种参数大概可以分为两大类:第一类是与换能器本身的振动性质有关的物理量,如换能器的振动位移和振速及其分布,与其相关的测试方法主要包括显微镜法、干涉法以及全息法等,既可以进行绝对测量,也可以进行相对测试;第二类是与换能器的辐射声场有关的物理量,如换能器的辐射声功率,声强度以及声场分布等.关于超声换能器的性能测试,主要有两种方法,即小信号法以及大信号法两种.目前有关功率超声换能器的测试基本上限于小信号状态下的测试,常用的方法包括导纳和阻抗圆法,传输线法以及功率曲线法等.对于接收型超声换能器,其性能要求与发射型有所不同,因而其测试方法也有差异.对于接收型换能器,接收灵敏度是一个重要的电声参数,涉及到的测试方法有两种,一是比较法,二是互易法.一般来说,比较法主要用于校准测量换能器,而互易法主要用于校准标准换能器.关于超声换能器的大功率性能测试,由于换能器的非线性以及振动系统的复杂性,如波形畸变以及负载变化等,国内外至今没有一种通用的测试方法,也缺乏统一的国际和国家标准,因此,对于一些实用功率超声技术的评价缺乏统一的标准,也无法衡量大功率超声设备,如超声清洗机以及焊接机等的性能.日本学者于70年代提出了一种可以测量大功率超声换能器振动性能的高频电功率计法.该法可以测量换能器在大功率状态下的辐射声功率及电声效率.然而,这种方法存在一些致命的缺点,限制了其在实际中的应用.第一,为了测量换能器的介电损耗功率,需要两个性能完全一致的换能器,这一点在实际中是很难做到的.第二,为了得到换能器的介电及机械损耗功率,事先必须测出换能器的介电及机械损耗功率与换能器端电压和振动速度之间的依赖关系.鉴于上述原因,这种方法至今仍没有在实际中得到广泛的应用.功率超声在液体中的应用技术基本上都与超声的空化现象有关,所有的大功率超声液体声场实际上就是微观超声空化场的宏观表现.因此大功率超声场的测试实际上也就是超声空化场或空化现象的测试.由于超声的空化现象是一个极为复杂的非线性微观过程,其实际的测试极为困难和复杂,因而大功率超声场的定量精确测试也是很难的.比较流行的测试方法主要有两种:直接测量法(直接测量声场物理量的方法,这些物理量包括声压、声强以及声功率等)以及间接测量法(通过观察功率超声场的空化效果间接测量低频高强超声场).超声场的直接测试方法包括水听器法,如压电水听器、磁致伸缩水听器及光纤水听器等;热敏探头法,如热电偶和热敏元件等;以及光纤探测法和量热法等.间接测试方法包括薄膜腐蚀法,影像法,如淀粉碘化钾反应法,染色法,液晶显色法,声致发光成像法等,以及谱分析法,如频谱和功率谱分析法,声发射谱法,空化噪声谱等.在超声技术中,声功率是一个非常重要的物理量,有关其测试方法的研究报告也很多.声功率的直接测试方法主要包括用于小功率的辐射压力法(见图5)和用于大功率超声的量热法.辐射压力法主要用于医学超声功率的测试,测试范围从毫瓦级到几瓦乃至几十瓦不等,测试精度较高,基本上可以控制在10%左右.目前用于大功率超声功率的测试方法主要是量热法,随着灵敏的热敏器件的研究技术不断提高,可以预计超声功率的量热法测试将会受到更多的关注和重视.5　新型超声换能器5.1　大功率管状超声辐射器[16,17]Frei首次提出了一种用于超声清洗的新型超声波换能器———管状换能器(Tube res onat ors),结构如图6(a)所示.它由一个普通纵向振动换能器和一个圆管连接而成,圆管受换能器激励并将纵向振动转化为径向振动向周围液体辐射超声波.圆管可为实心也可为空心,其长度为振子工作时所对应半波长声学换能器技术专题图5　利用辐射力法测量超声换能器的声功率的整数倍.由于该管状换能器沿管体均能辐射超声波,故其辐射面积较普通夹心式换能器大很多,而且它通过径向振动向周围辐射声能,所以产生的声场也比较均匀.后来,W alter 等人对管形振子进行了改进,通过在圆管两端使用两个纵向振动换能器同时激励,从而更有效地将纵向振动转化为径向振动,并称这种振子为推拉换能器(Push -Pull transducers ),其结构如图6(b )所示,它和图6(a )所示管状换能器的结构相似,不同的是此时圆管两端均有纵振换能器激励,两个换能器通过内部导线相连接,最后经引线连接到超声电源.当圆管长度为振子工作时所对应半波长的奇数倍时,两个纵振换能器需同相激励;相反,当圆管长度为半波长的偶数倍时,两端的换能器需反相激励.目前,瑞士TE LS ON I C 、美国CREST 等公司均推出了该类换能器的系列化产品,工作频率有20kHz 、25kHz 、30kHz 、40kHz,输出功率最高达2000W ,振子最长近1.5m.我国也有单位于近年研制成功了此类管状换能器.图6　管状超声换能器结构示意图5.2　复频换能器研究[18—22]在超声清洗以及声化学等应用中,需要宽频带或具有多个共振频率的换能器.尽管可以利用电路技术中的扫频技术,但由于传统的夹心式压电换能器的频带较窄,因此扫频技术的效果不很理想.为了使换能器的频带加宽,或设计具有多个共振频率的换能器,可以采用的措施包括:(1)通过改变换能器电端匹配电路中的电感可以改变换能器的共振频率;(2)利用换能器的径向振动和纵向振动之间的耦合振动可以对换能器的共振频率和频带进行调节;(3)利用穿孔换能器可以展宽换能器的频带;(4)利用换能器辐射头的弯曲也可以展宽换能器的频带宽度;(5)利用矩形辐射板的弯曲振动,可以实现复频功率超声换能器,如图7所示.图7　弯曲振动矩形辐射板复频超声换能器5.3　大功率气介超声换能器的研究[23—28]西班牙学者提出了一种由纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器与弯曲振动板(圆板或矩形板)组成的大功率气介超声换能器(见图8),通过相位补偿技术,单个换能器的辐射功率可以达到500W ,电声效率可以达到75%.换能器的辐射面直径可以达到1m.此类换能器主要用于超声除尘、超声去泡沫以及超声清洗纺织品等.5.4　复合振动模式换能器的研究[29—32]随着超声技术的发展,一些新的超声应用技术声学换能器技术专题。

三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机的设计开题报告

华侨大学厦门工学院毕业设计(论文)开题报告系（部）：机械工程系专业班级：机械工程及自动化专业7班姓名学号指导教师职称学历课题名称三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机的设计毕业设计（论文）类型（划√）工程设计应用研究开发研究基础研究其他√一、本课题的研究目的和意义：本毕业设计的目的旨在培养学生结合以及应用所学的基础理论知识，进行分析和设计一种三圆柱定子纵弯复合模式旋转型超声波电机的设计。

在设计过程中，使学生如何查找和阅读相关文献，掌握有关工程设计的程序、方法和技术规范，提高工程设计、图纸绘制和编写技术文件的能力。

培养独立工作，团结协作和从事产品研发的实际能力和水平。

二、文献综述（国内外研究情况及其发展）：1、超声波电机概况超声波电机（Ultrasonic Motor， USM）是一种直接由功能材料构造的新型电机。

其原理、结构及运行控制方式均与传统电机不同，而最主要的区别是无绕组和磁极，也无需通过电磁作用产生运动力。

USM 一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷、金属块和移动体(相当于传统电机中的转子，由摩擦材料及金属等制成)组成。

在振动体的压电陶瓷加上超声频交流电压时，压电陶瓷利用逆压电效应产生超声波振动，通过振动体与移动体间的摩擦力即可将这种振动变换成移动体的旋转或直线型运动。

超声波电机是压电陶瓷、功能材料、机械振动、超精加工、电力电子、控制理论等学科交叉发展的结晶。

对超声波电机的研究与开发，在某些领域可取代传统的小型和微型电磁电机，在航空航天、机器人、医学等高科技领域将会引起深刻的技术革新。

可以说，对超声波电机及其控制系统的研究有重要的科学意义和广泛的应用前景国内外研究水平和动态。

（1）国外研究状况二十世纪八十年代以来，日本、美国和德国等发达国家都在对超声波电机进行大力研究，并在机器人、汽车电器和照相机镜头等很多方面得到了应用。

日本在前苏联的科学家提出了超声波电机的设计和构思后，投入大批的人力、物力开发超声波电机，进行了大量的研究，并致力于应用开发。

超声换能器的优化设计与性能研究

超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。

为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。

本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。

一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。

常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。

其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。

在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。

此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。

二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。

典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。

其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。

但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。

因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。

超声换能器的电极结构也需要优化设计。

传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。

因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。

三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。

现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。

其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。

一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。

新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究

新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究近年来，由于交换机的发展，嵌入式电路的集成度提高和机器人自动化的推广，复合换能器技术发展迅速。

由于它的高电流强度、高能量传输效率和高空间利用率，复合换能器受到了广泛的重视。

然而，复合换能器在使用中存在一些问题，其中最关键的问题是它的声学性能，即它的频率特性和辐射声场。

首先，本研究以新型纵弯复合换能器为研究对象，以此来研究它的频率特性。

首先，实验室利用电脉冲激发器作为输入信号，并将其输入至新型纵弯复合换能器，获得了从声学测试仪输出的实验数据。

然后，基于这些实验数据，利用相关技术分析出了新型纵弯复合换能器的频率特性。

结果表明，新型纵弯复合换能器的频率特性特点是具有低档低增益、中档恒幅宽带和高档高增益特性。

接着，本研究利用声场实验来研究新型纵弯复合换能器的辐射声场。

在实验中，实验室搭建了一个模拟的空间结构，实验室的发声装置分别配置在空间结构的四角。

然后，在振动发生器及其搭载的新型纵弯复合换能器的受力部位中，分别安装了两个话筒，利用话筒进行声压波传播试验。

经过实验，实验室获得了新型纵弯复合换能器的辐射声场数据，经过分析，实验室得出结论，即新型纵弯复合换能器的辐射声场以较低的声压和能量分布，局部可以达到较好的声学性能。

本研究以新型纵弯复合换能器为研究对象，研究了其频率特性和辐射声场，实验结果表明：新型纵弯复合换能器的频率特性表现为低档低增益、中档恒幅宽带和高档高增益特性，以较低的声压和能量分布，局部可以达到较好的声学性能。

由于本研究仅涉及新型纵弯复合换能器，而未涉及其他复合换能器，因此，今后的研究可以着重于进一步研究不同结构的复合换能器的频率特性和辐射声场的性能。

另外，有关声学测试的技术也可以在未来的研究中发挥重要作用，从而有助于提高复合换能器的声学性能。

总之，本研究以新型纵弯复合换能器为研究对象，以频率特性和辐射声场为研究方向，得出了新型纵弯复合换能器的频率特性表现为低档低增益、中档恒幅宽带和高档高增益特性，以较低的声压和能量分布，局部可以达到较好的声学性能的结论，为今后进一步深入研究复合换能器的声学性能提供了参考。

新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究

新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究随着现代制造和产品质量提高的要求，复合换能器得到了广泛应用，用于检测各种类型的信号。

特别是新型纵弯复合换能器在传感器领域具有重要作用，它可以有效地检测频率特性信号，提高了检测效率。

本文详细研究了新型纵弯复合换能器的频率特性和辐射声场。

首先，我们介绍了新型纵弯复合换能器的结构与原理，包括铰接模型的设计，换能器的振动特性及能量传递机制，振动噪声传输原理，以及有关的换能器振动噪声的模型的构建。

其次，本文采用ANSYS有限元软件建立模型，模拟换能器在不同情况下的动态特性，并利用FECAP计算其不同频率下的动态特性，研究频率特性对此换能器动态性能的影响。

此外，采用声辐射研究方法，研究此换能器声场放射特性。

研究结果表明，新型纵弯复合换能器在激振噪声中具有较高的频率响应，同时也具有良好的振动噪声消除性能，使其有效的检测频率特性信号，提高了检测的效率。

同时在不同的频率下，此换能器声场放射特性也呈现出特定的特征，从中可以得出有效的信号，为用户设计提供有效指导。

综上所述，本文通过综合研究新型纵弯复合换能器的频率特性及其辐射声场，提出了有效的传感器设计方案，有助于提高传感器的灵敏度，提高检测效率和精度，为用户提供实用性的解决方案。

市场上现有的换能器由于结构复杂，受环境温度变化的影响较大，加之设计不合理，使其参数不稳定，影响了传感器的稳定性及精确性。

所以，研究新型纵弯复合换能器，对提高传感器的灵敏度，提高检测效率和精度具有重要意义。

未来，有关新型纵弯复合换能器的研究将把重点放在模型改进上，研究不同材料、不同换能器结构，以探索更为精细的参数；同时，将注重建立实验台，以测量换能器的动态特性及其传输噪声特性，以改进数值仿真方法。

以期望得到更^好的换能器设计方案，保证传感器的可靠性和精确性。

综上，通过本文的研究，我们可以更加全面地了解新型纵弯复合换能器的频率特性及辐射声场，为用户设计更加有效的传感器解决方案提供依据，为未来研究工作提供基础。

超声换能器设计方案

设计方案：包括换能器的结构、材料、制造工艺等方面的设计
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实验验证：通过实验验证设计方案的可行性和有效性
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展望未来：分析超声换能器技术的发展趋势和挑战
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性能指标：包括换能器的频率、功率、效率等方面的性能指标
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成果应用：探讨设计方案在实际应用中的效果和前景
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对未来研究方向和可能的改进进行展望
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设计原理和方案
简述超声换能器的工作原理
超声换能器是一种将电能转化为机械能的设备，通过压电效应实现能量转换。
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超声换能器主要由压电陶瓷、金属电极和匹配层组成，当在压电陶瓷上施加电压时，陶瓷会发生形变，从而产生机械振动。
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超声换能器的工作频率通常在20kHz至10MHz之间，频率越高，产生的超声波波长越短，能量越集中。
设计方案：包括换能器结构、材料选择、制造工艺等方面
结构设计：根据应用场景和需求，选择合适的换能器形状和尺寸
分析设计方案的优势和不足
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材料选择和加工工艺
探讨材料选择的原则和要点
材料性能：根据换能器的工作原理和性能要求，选择合适的材料
成本控制：在满足性能要求的前提下，选择成本较低的材料
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加工工艺：根据材料的特性和加工工艺，选择易于加工的材料
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仿真分析和实验验证
介绍使用仿真软件进行设计分析的流程和方法
建立仿真模型：根据实际需求和物理定律，建立仿真模型，包括几何模型、材料属性、边界条件等
优化设计方案：根据仿真结果，优化设计方案，提高性能和可靠性
确定仿真目标：明确仿真的目的和要求，如性能、结构、热传导等

纵扭复合超声波换能器变幅杆开斜槽由纵转扭的实测分析

纵扭复合超声波换能器变幅杆开斜槽由纵转扭的实测分析大音超声陶晓明2023.2通常认为在变幅杆开斜槽的方向与刀具铣刀或麻花钻槽向应保持一致，这时扭振振幅是叠加的关系，反之是抵消的关系，从仿真可以看出当变幅杆与刀具的槽向不一致时，各自的扭振方向相反且幅度不一，变幅杆扭振幅度小，刀具扭振幅度大。

暂且不论方向相反有多少抵消和幅度之差，这不是主要矛盾。

通过实际测量发现其实并不尽然，下面以阶梯变幅杆换能器为例来分析纵与扭的关系。

图1未开斜槽图2 变幅杆开斜槽并与刀具槽向相反从图3的仿真分析可以看到阶梯型超声换能器纵振模态下的振幅分布，光杆刀具末端振幅最大其他次之。

通过仿真观察与实际测量，我们发现纵振换能器产生扭振的最大位置，即是纵振振幅图3 未开斜槽振幅分布图4开斜槽并与刀具槽向相反时振幅分布最大处。

主要是有斜槽刀具处在纵振振幅最强部位，在此产生扭振会更强烈。

变幅杆上槽向右旋或左旋产生的扭振与之相比就显微不足道，因为那些槽并没开在纵振振幅最大处。

通过仿真和实测证实不管是铣刀还是麻花钻因有螺旋槽并且处在振幅最大的末端，自然会产生较大幅度的扭振。

当刀具与换能器组成一个完整声学谐振系统后会工作在相同频率上，不会同时产生其他不同频率。

同时也分析了纵扭复合结构是依纵而扭，即在纵振振幅最大处开斜槽产生的扭振亦最大，扭振的振幅大小与纵振频率无关只与纵振振幅有关。

见振幅分布（图4），可看到换能器纵振振幅末端振幅最大，此时由纵振转换成扭振的振幅亦大。

实测发现阶梯变幅杆上延伸到大直径端的斜槽不会对扭振振幅有明显的放大作用，去掉大直径端的斜槽只保留小直径段斜槽，扭振振幅没有明显改变，当只保留大直径端斜槽去掉小直径端斜槽时已检测不到扭振，除非此槽也处在纵振振幅较大处。

所以变幅杆上开的槽无论是右旋还是左旋，对有螺旋槽的刀具来讲它所产生的扭振都不足亦撼动末端有螺旋槽刀具产生扭振的幅度，但从某种意义上考虑槽向一致是对的，否则失去了变幅杆开斜槽的意义。