电磁式冲击波发生器的研究

摘要

冲击波是压力急剧变化的产物，有短时性、宽频性和高压强性三个特点。由于其发生方式的特点，冲击波又有很强的张应力和压应力，可以轻易的穿透任何弹性介质，因此冲击波被广泛的应用于生活的各个方面。
　　针对目前冲击波发生方式的一些问题，如爆破式冲击波源的能量不好控制;压电式冲击波源由于压电材料耐压条件的限制而功率很难提高;液电式冲击波源需要经常更换电极;现有的电磁式冲击波源的能量小，容易短路等，本文提出了一种基于冲击波的优良特性与成熟的电磁感应原理的电磁式冲击波发生器。本文从理论、设计和实验方面做了七个方面的研究:
　　(1)本文设计了两种有静磁场的换能器:换能器A和换能器B。这两种换能器除振动系统的结构设计不同外，换能器A的振动板的厚度为0.2mm，换能器B的振动板的厚度为0.16mm。这两类换能器都是由振动系统、磁路、支撑部分、固定部分组成。振动系统主要包括振动线圈和振动板，控制振动线圈的质量使得振动系统的质量主要是振动板的质量。通有交流电的振动线圈在外加磁场的作用下受力并带动振动板做冲击振动，由此产生冲击波。
　　(2)由于换能器的振动板是薄的金属平板，本文依据周边钳定圆形薄板的振动方程（杨氏模量等效的变为E/1-δ2），并且根据周边嵌定圆形振动板的泛频与基频的关系fn=[μn/μ1]2f1得到了换能器振动系统的振动理论模型。
　　(3)针对A、B两种换能器设计了激励源，激励源包括电源管理、控制电路、开关电路、升压电路、充电电路及LC震荡电路。并根据电路调试的原则对所设计的激励源进行调试。
　　(4)理论上，当激励频率与振动系统的基频(f1)或者与泛频fn相吻合时，振动系统得到最大的振动幅度和强度，并且机电效率转换最高。因此获得振动系统的各次泛频非常重要。用理论或数值计算方法准确得到换能器的简正频率非常困难，本文参考振动板基频的计算值，用实际测量的方法确定换能器振动系统的基频。根据测得的振动系统的基频和建立的振动系统的振动模型，对换能器和激励源用谐振原理进行了机电耦合匹配，并得到了LC震荡电路中的频率、应使用的电感量L及电容量C的值。
　　(5)选择合适的检测手段，分别对换能器A、换能器B的激励电流进行检测;对振动板的冲击振动信号进行检测;对换能器B的冲击声波进行简单的检测。由检测结果可知，激励电流强度较大，可以保证激励源的大功率驱动能力;对振动板的冲击振动信号进行检测可知换能器B更符合所建立的振动系统的振动模型;对换能器B使用声级计进行检测可知产生的声压比较可观。
　　(6)由于之前对激励源中的测试小电阻上，只检测到正向脉冲，负向脉冲未检测到，也许是可控硅驱动能力不够而未显现，所以进行了一些尝试，以期可以检测到激励源的震荡波形。对激励源的驱动能力进行改进而做了四种方法的尝试，并对激励信号进行检测。经改进后的电路激励信号有所改善。
　　(7)基于降低成本的想法，本文还对无外加磁场下空芯电感换能器的尝试，并经过简单的匹配以后对激励信号进行了检测，对振动板的振动强度进行观察。由于使用空芯电感换能器时，参与LC震荡电路的是“动子”和“定子”两个电感线圈，这就造成了电感串并联、同名端串并、异名端串并的问题。结果表明，振动板的振动强度比在有磁场时的微弱;由对扁线的两个线圈盲并的检测结果来看，同名端相并或是异名端相并的方式对激励电流强度的影响差异不大;在振荡电路中扁线比圆线的震荡电流强度大。
　　本文提出的电磁式冲击波发生器原理可靠，设计和使用简便，实验验证设计方法可行。在经过深入的研究之后的发生器将有很高的生物学应用价值，可以考虑用于理疗及提供高声压环境，有较好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 医用超声换能器的研究现状

1.1.2 冲击波的特性及应用

1.1.3 临床用冲击波源的研究现状及发展趋势

1.2 本文的主要研究工作

第二章 电磁式冲击波发生器换能器的设计

2.1 电磁感应原理及左右手定则

2.2 换能器结构及工作原理

2.3 换能器各部分材料选择依据

2.4 本章小结

第三章 换能器振动系统的振动模型的建立

3.1 板的振动方程

3.2 周边钳定圆形板振动的一般规律

3.3 换能器振动系统的理论振动模型

3.4 本章小结

第四章 电磁式冲击波发生器激励源的设计

4.1 激励源的设计介绍

4.1.1 激励源的工作原理

4.1.2 控制电路的设计

4.1.3 电路的调试

4.2 本章小结

第五章 激励源与换能器的机电耦合匹配

5.1 换能器振动系统固有频率的检测

5.2 机电耦合匹配的过程

5.3 本章小结

第六章 检测

6.1 检测手段简介

6.2 对激励电流的检测

6.3 对振动板的冲击振动信号的检测

6.4 对声的检测

6.5 对激励源驱动能力的改进及检测

6.6 无外加磁场下空芯电感换能器的尝试及检测

6.7 本章小结

总结与展望

参考文献

文献综述 EMAT的优化研究进展

致谢

攻读硕士学位期间撰写和发表的学术论文