模式转换型径扭复合振动压电超声换能器研究

摘要

随着工业的发展及科技的进步，工程上对换能器振动状态及振动种类的要求越来越多样化，特别是在超声旋转加工、切削、超声电机等领域，要求各种复合振动模式的换能器。复合振动模式的压电超声换能器主要是由单一振动模式转换耦合而来，主要有纵扭、纵弯、弯扭模式等。
　　超声电机的定子实质上是一个复合振动模式的超声换能器，因其大扭矩、低噪声抗干扰性能好等优点而成为近年研究的热点。传统电磁式电机可被超声电机取代应用于需要抗电磁干扰、低噪声的精密仪器。超声电机的种类也随着各领域需求的不同而不断创新和优化。
　　本文提出了一种模式转换型径扭复合振动模式的压电超声换能器。通过推导理论、建立模型、实验分析的方法系统研究了扭复合振动模式的压电超声换能器的振动特性。主要研究内容如下:
　　1.首先利用谐振叠加法对由纵向振动的压电超声换能器与径向振动的狭缝式环形聚能器组成的具有功率合成功能的纵-径耦合型超声振动系统进行探究。通过机电类比原理导出系统的等效电路图及共振频率方程，得到了狭缝式环形聚能器振幅放大系数及第1阶及第2阶谐振频率随内外半径比变化的关系曲线。结果表明，采用振幅放大系数较大的第2阶共振模式的聚能器与换能器组合可以合成较大的超声功率，理论与仿真、实验结果一致。
　　2.研究了等厚度斜缝式压电超声换能器的振动特性。分别讨论金属环形盖板的径向及扭转振动特性，通过引入径-径耦合系数和径-扭耦合系数，将径向振动与扭转振动等效阻抗串联耦合到压电陶瓷圆盘径向振动电路的机械端，得到换能器总体等效电路及共振频率方程。通过理论和仿真及实验的方法分析了换能器斜角及内外半径比与共振频率的关系。
　　3.对线性变厚度斜缝式压电超声换能器振动特性进行了分析研究。采用ANSYS有限元仿真软件完成了模态分析、谐响应分析及瞬态分析研究。得到换能器的共振频率、反共振频率、导纳频率曲线，仿真出斜角为30°、45°、60°的压电超声换能器边缘同一位置节点在其共振频率下的椭圆运动轨迹，并与等厚度斜缝式换能器在其共振频率下同一位置处节点的椭圆运动轨迹进行了比较。
　　4.实验测试几组不同斜角线性变厚度换能器样品的共振频率，通过给予压电陶瓷圆片Z向极化，使得斜缝式换能器产生径扭复合模式的振动，并利用阻抗分析仪测得的共振频率与仿真结果基本一致。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 复合振动模式压电超声换能器的研究现状

1．3 主要研究内容

2 纵-径耦合型超声功率合成振动系统

2．1 纵-径耦合超声功率合成振动系统

2．2 狭缝式环形聚能器的径向振动分析

2．2．1 狭缝圆环的径向振动分析

2．2．2 频率方程

2．2．3 位移振幅放大系数

2．3 数值计算及有限元分析

2．4 超声功率合成振动系统

2．5 实验

2．6 本章小结

3 等厚度斜缝式径-扭复合模式盘型压电换能器振动分析

3．1 盘型压电换能器的径-扭振动

3．1．1 环形盖板的径向振动及其等效电路

3．1．2 环形盖板的扭转振动及其等效电路

3．1．3 换能器径-扭复合振动模式的等效电路及频率方程

3．2 数值计算及分析

3．2．1 斜缝式复合振动换能器共振频率与斜缝角度的关系

3．2．2 共振频率与内外半径比的关系

3．3 本章小结

4 线性变厚度径-扭复合模式盘型压电超声换能器仿真分析

4．1 径-扭复合模式盘型压电超声换能器的性能参数

4．1．1 压电陶瓷的性能参数

4．1．2 线性变厚度圆盘的性能参数

4．2 模态分析

4．3 谐响应分析

4．4 瞬态分析

4．5 本章小结

5 径-扭复合模式盘型压电超声换能器实验测试

5．1 实验器材加工、原理、步骤

5．2 实验测试结果及分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

致谢

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