提高磁致伸缩换能器辐射板活塞振幅的方法研究

摘要

由磁致伸缩材料Terfenol-D研制成的超磁致伸缩换能器，具有大功率、宽频带、峰值尖锐、余震小等优越性，已广泛的应用于水声和工程探测领域，能够很好的满足低频率、大功率的市场需求。本文将超声磁致伸缩换能器，用作热声制冷机的声源驱动装置，拟解决热声制冷机在微型化过程中所遇到的声源辐射板振幅小、频率低、输出声压值较小无法达到预想制冷效果等一系列的问题，具有重要的实际应用价值。
　　本文将超声磁致伸缩换能器作为热声制冷机的驱动元件，研究分析超声磁致伸缩换能器的声源，即辐射板的受迫振动问题。主要对声源辐射板的激励源Terfenol-D棒的输出特性、辐射板本身的振动特性、热声制冷谐振腔长度与所受双侧激励（同相、反相）方式的匹配等因素展开研究，探索提高磁致伸缩换能器辐射板活塞振幅的方法，即提高热声制冷谐振腔内驻波声场声压幅值的方法。
　　（1）Terfenol-D棒输出特性分析。应用有限元软件ATILA，研究分析主动材料Terfenol-D棒，在交变电流激励下，振动输出特性。通过模态及谐响应分析发现：Terfenol-D棒在出现轴向活塞振型时，随着长径比的增加振动频率值逐渐降低，其端部输出轴向位移幅值逐渐增加；预应力一定时，磁棒端部输出轴向位移幅值，随着激励电流的增加逐渐增加；激励电流一定时，随着预压应力的增加，磁棒端部输出轴向位移幅值先上升后下降，当预应力继续增加，达到一定数值时，磁棒处于夹持状态。
　　（2）辐射板对磁致伸缩换能器输出特性的影响。借助有限元软件ANSYS WORKBENCH、ATILA，研究分析辐射板本身属性（材料、尺寸、端面形状）对换能器输出特性的影响及热声制冷谐振腔两端面形状组合情况对腔内声场分布的影响。经研究分析发现：硬铝辐射板在活塞振型下，振动频率值最高，输出的轴向位移值最大；不同尺寸的圆形辐射板在活塞振型下（辐射板端部增加相同长度谐振腔体），随着直径与厚度比的增加，振动频率值逐渐减小，输出轴向位移幅值逐渐增加；不同端面形状的辐射板在活塞振型下，凹球面辐射板的振动频率值较高，输出轴向位移幅值最大，其对应的谐振腔内平面单色驻波声场的声压幅值最大；热声制冷谐振腔的端面形状为凹球面时，能够有效聚焦谐振腔内的声压值；凹球面发射端-凸球面反射端组合情况的谐振腔内，产生的平面单色驻波声场声压幅值最高。
　　（3）双侧激励源（谐振腔长度为半波长奇数倍时受同相双侧激励、谐振腔长度为半波长偶数倍时受反相双侧激励）对热声制冷谐振腔内声场分布的影响。经研究分析发现单侧激励源相比，双侧激励源能够使得谐振腔内的平面驻波声场的声压幅值成倍增加。

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1绪论

1.1超声换能器的发展现状

1.2超声换能器的应用

1.3磁致伸缩材料

1.4 ATILA软件介绍

1.5选题依据及主要研究内容

2 Terfenol-D磁致伸缩棒输出特性分析

2.1磁致伸缩换能器结构及工作原理

2.2 Terfenol-D棒的设计

2.3本章小结

3辐射板参数对磁致伸缩换能器输出特性的影响

3.1辐射板振动、辐射声场理论基础

3.2材料性质对辐射板输出轴向位移的影响

3.3尺寸对辐射板输出特性的影响

3.4辐射板端面形状对热声制冷谐振腔内声场分布的影响

3.5本章小结

4双侧激励源对热声制冷谐振腔内声场分布的影响

4.1声波的相干性

4.2单侧、双侧激励对谐振管两端辐射板幅频特性的影响

4.3单侧、双侧激励对谐振腔内声场分布的影响

4.4本章小结

结论

工作展望

参考文献

在学研究成果

致谢