功率超聲振動(dòng)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 超聲換能器簡(jiǎn)介 1
1.2 功率超聲振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(biāo) 8
1.3.2 對(duì)發(fā)射換能器特別要求的性能指標(biāo) 10
1.3.3 對(duì)接收換能器特別要求的性能指標(biāo) 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(luò) 15
1.5.1 電聲四端網(wǎng)絡(luò)研究方法 16
1.5.2 電聲四端網(wǎng)絡(luò)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(luò) 17
第2章 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ) 20
2.1 單自由度質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的自由振動(dòng) 20
2.2 單自由度質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼振動(dòng) 22
2.3 單自由度質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng) 24
2.3.1 振動(dòng)速度振幅的頻率特性及機(jī)械諧振 25
2.3.2 振動(dòng)系統(tǒng)的功率頻率特性*線 27
2.3.3 振動(dòng)系統(tǒng)位移振幅的頻率特性*線 28
2.3.4 振動(dòng)系統(tǒng)加速度振幅的頻率特性*線 31
2.3.5 振動(dòng)控制原理 32
2.4 機(jī)械系統(tǒng)的力電類(lèi)比 33
第3章 彈性體的振動(dòng) 36
3.1 均勻截面細(xì)棒的縱向振動(dòng) 37
3.1.1 均勻截面細(xì)棒縱向振動(dòng)的基本理論 37
3.1.2 均勻截面細(xì)棒和電波傳輸線的類(lèi)比以及細(xì)棒縱向振動(dòng)的等效電路 40
3.1.3 均勻截面細(xì)棒縱向振動(dòng)的固有頻率修正 41
3.1.4 有限尺寸短圓柱及厚圓盤(pán)的縱向與徑向耦合振動(dòng) 43
3.1.5 幾種特殊振動(dòng)體的振動(dòng)分析 47
3.1.6 矩形六面體的三維耦合伸縮振動(dòng) 49
3.2 均勻截面細(xì)棒的彎*振動(dòng) 53
3.2.1 棒的橫振動(dòng)方程 54
3.2.2 不同邊界條件下棒的彎*振動(dòng)分析 57
3.3 彈性薄板的彎*振動(dòng) 59
3.3.1 薄圓板的彎*振動(dòng) 59
3.3.2 矩形薄板的彎*振動(dòng) 63
3.4 彈性薄圓板的徑向振動(dòng) 68
3.4.1 各向同性彈性薄圓盤(pán)的徑向振動(dòng) 68
3.4.2 彈性薄圓環(huán)的徑向振動(dòng) 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(yīng)力和應(yīng)力分量 80
4.1.2 固體彈性介質(zhì)中的應(yīng)變和應(yīng)變分量 81
4.1.3 彈性體內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)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(dòng)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(lèi)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(guò)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(lèi) 109
5.4.3 實(shí)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(dòng)的波動(dòng)方程 116
6.1.2 不同種類(lèi)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(shè)計(jì) 124
6.3 性能可調(diào)的縱向振動(dòng)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(duì)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(dòng)性能的數(shù)值模擬 136
6.3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 137
6.3.5 本節(jié)小結(jié) 139
6.4 性能可調(diào)的縱向振動(dòng)階梯型超聲變幅桿 140
6.4.1 理論分析 140
6.4.2 電阻抗對(duì)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(duì)變幅桿性能的影響 147
6.4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 150
6.4.5 本節(jié)小結(jié) 152
6.5 性能可調(diào)的復(fù)合型超聲變幅桿 152
6.5.1 性能可調(diào)的復(fù)合型超聲變幅桿的設(shè)計(jì)理論 152
6.5.2 電阻抗對(duì)復(fù)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(duì)復(fù)合型超聲變幅桿振動(dòng)性能的影響 158
6.5.4 壓電陶瓷圓環(huán)的厚度對(duì)復(fù)合型超聲變幅桿振動(dòng)性能的影響 160
6.5.5 實(shí)驗(yàn)研究 162
6.5.6 本節(jié)小結(jié) 165
6.6 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)超聲變幅桿的設(shè)計(jì)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(fù)合模態(tài)超聲變幅桿的設(shè)計(jì)理論 170
6.7.1 縱扭復(fù)合模態(tài)指數(shù)型超聲變幅桿的振動(dòng)特性 170
6.7.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 174
6.7.3 本節(jié)小結(jié) 175
6.8 具有縱扭復(fù)合振動(dòng)模態(tài)的復(fù)合型超聲變幅桿 176
6.8.1 縱扭復(fù)合振動(dòng)模態(tài)變幅桿的共振頻率方程 177
6.8.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 180
6.9 縱向超聲變幅桿橫向振動(dòng)的頻率修正 181
6.9.1 縱向振動(dòng)超聲變幅桿橫向振動(dòng)的頻率修正理論 181
6.9.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論 184
6.10 大尺寸圓形截面超聲變幅桿的近似設(shè)計(jì)理論 185
6.10.1 大截面變幅桿的近似設(shè)計(jì)理論 186
6.10.2 理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 189
6.11 大尺寸矩形斷面超聲變幅桿的設(shè)計(jì)理論 189
6.11.1 基本理論 189
6.11.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論 193
6.12 大尺寸矩形截面復(fù)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(fù)合型超聲變幅桿的設(shè)計(jì)理論 194
6.12.2 實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)和測(cè)量 202
6.15.1 變幅桿類(lèi)型及所用材料的選擇 202
6.15.2 設(shè)計(jì)方法 203
6.15.3 變幅桿的測(cè)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(lèi) 215
7.3 縱向夾心式壓電陶瓷換能器的理論分析及設(shè)計(jì) 219
7.3.1 變截面細(xì)棒的一維縱振動(dòng)方程及其解 220
7.3.2 壓電陶瓷晶堆的機(jī)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(jī)電等效電路及其特性分析 226
第8章 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)功率超聲換能器 235
8.1 切向極化壓電陶瓷細(xì)長(zhǎng)棒的扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 235
8.1.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的機(jī)械方程式 236
8.1.2 電路狀態(tài)方程式 237
8.1.3 機(jī)電等效電路圖 238
8.1.4 切向極化壓電陶瓷細(xì)棒扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(dòng) 240
8.2.1 振子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jī)電等效圖 243
8.2.4 壓電陶瓷薄圓環(huán)振子厚度剪切振動(dòng)的頻率方程 245
8.3 切向極化壓電陶瓷晶堆的扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 245
8.4 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動(dòng)換能器的設(shè)計(jì)理論 248
8.4.1 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動(dòng)換能器的頻率方程 248
8.4.2 討論 252
8.4.3 負(fù)載對(duì)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(jì)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(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換扭轉(zhuǎn)振動(dòng)換能器 255
8.5.1 斜槽式縱-扭復(fù)合模式超聲換能器的等效電路 255
8.5.2 縱-扭復(fù)合振動(dòng)傳振桿中斜槽的傾斜角度對(duì)系統(tǒng)共振頻率的影響 259
8.5.3 實(shí)驗(yàn) 260
8.5.4 本節(jié)小結(jié) 261
第9章 彎*振動(dòng)超聲換能器 262
9.1 疊片式彎*振動(dòng)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(dòng) 266
9.2.1 矩形薄板繞y軸的彎*振動(dòng) 268
9.2.2 矩形薄板繞x軸的彎*振動(dòng) 268
9.2.3 壓電陶瓷矩形薄板彎*振動(dòng)的共振頻率 269
9.2.4 彎*振動(dòng)矩形薄板的幾種特殊振動(dòng)模式 270
9.2.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 271
9.3 夾心式彎*振動(dòng)壓電陶瓷換能器 272
9.3.1 夾心式彎*振動(dòng)壓電陶瓷換能器的波動(dòng)方程分析法 272
9.3.2 夾心式彎*振動(dòng)壓電陶瓷換能器的近似設(shè)計(jì)理論 276
9.3.3 考慮壓電效應(yīng)夾心式彎*振動(dòng)換能器的波動(dòng)方程分析法 280
9.4 模式轉(zhuǎn)換型彎*振動(dòng)換能器 285
9.4.1 縱向換能器與細(xì)棒組成的彎*振動(dòng)換能器 286
9.4.2 縱向振動(dòng)換能器與圓盤(pán)組成的模式轉(zhuǎn)換型彎*振動(dòng)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(dòng)換能器 294
9.5 壓電陶瓷片與金屬盤(pán)(等厚度)組成的彎*振動(dòng)換能器 301
9.5.1 運(yùn)動(dòng)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(jì)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(fù)合圓盤(pán)彎*振動(dòng)換能器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 309
9.6.1 均勻厚度復(fù)合圓盤(pán)彎*振動(dòng)換能器振動(dòng)特性的數(shù)值模擬 309
9.6.2 均勻厚度復(fù)合圓盤(pán)彎*振動(dòng)換能器的輻射聲場(chǎng) 315
9.6.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試 321
9.6.4 本節(jié)小結(jié) 324
9.7 壓電陶瓷片與金屬盤(pán)(變厚度)組成的彎*振動(dòng)換能器 325
9.7.1 線性漸變厚度復(fù)合圓盤(pán)彎*振動(dòng)換能器的優(yōu)化設(shè)計(jì) 325
9.7.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(pán)的徑向振動(dòng) 339
10.2.2 彈性薄圓環(huán)的徑向振動(dòng) 343
10.2.3 縱向極化壓電陶瓷實(shí)心圓盤(pán)的徑向振動(dòng) 347
10.2.4 縱向極化壓電陶瓷薄圓環(huán)的徑向振動(dòng) 353
10.2.5 厚度極化的徑向復(fù)合超聲換能器—“壓電陶瓷圓盤(pán)+金屬圓環(huán)” 359
10.2.6 縱向極化徑向振動(dòng)壓電陶瓷復(fù)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(pán) 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