新型径向复合压电超声换能器及其关键技术的研究

提出一种新型径向复合大功率压电超声换能器系统。利用机电类比原理建立其径向振动等效电路模型，并对其径向振动特性进行研究。运用表观弹性理论结合有限元方法研究换能器的径长耦合振动对其径向振动特性的影响。设计径向力大小可调、可度量微液压装置测量径向预应力对换能器振动特性参数的影响，实验与理论结合找到换能器系统的最佳径向预应力参数。在此基础上设计出径向力可调弹性胀套装置，协同金属管实现对柱面压电陶瓷片施加内外双向径向预压应力，解决目前径向复合压电超声振动系统中施加径向预应力这一关键技术问题，以大幅提高此类径向复合压电换能器的功率容量并改善其性能。进而对换能器在液体媒质中的声辐射特性进行研究。.通过本项目研究，以期为此类径向复合型大功率压电超声换能器建立较完整的理论及实验模型，并为其工程设计及应用提供关键技术支持。

摘要：本项目在国家自然科学基金资助下，课题组成员团结合作，圆满完成了项目研究的全部内容和任务，达到项目预期的研究目标。主要研究工作包括：.1、提出了一种新型的三元径向复合压电超声换能器，利用弹性力学理论及机电类比原理，建立了换能器的径向振动机电等效电路理论模型，给出了换能器工程设计的频率方程。并对换能器的频率特性、阻抗特性、机械品质因素、位移振幅、有效机电耦合系数以及机电转换效率等机电特性进行了较全面系统的理论和实验研究；探究了换能器的共振和反共振频率以及有效机电耦合系数等特性参数与其几何尺寸之间的相互依赖关系；并进行了有限元仿真分析。为此类径向复合换能器的应用奠定了理论和实验基础。.2、研制了径向力可调弹性胀套内芯，实现了换能器的冷装配，并可随意拆卸。为解决此类径向复合压电换能器的径向预应力施加的关键技术问题提供了一条有效途径。.3、对换能器的第1、2阶径向振动特性进行了研究。研究表明，换能器的第2阶径向共振优于第1阶，（1）有效机电耦合系数更高；（2）位移振幅放大系数更大。（3）换能器中存在一条位移节线，当压电陶瓷处于节线附近时，其有效机电耦合系数达极大值。特别地，采用第2阶工作模式，可获得一类低Q值、大尺寸、高频大功率径向振动超声换能器。.4、研制了一系列径向复合压电换能器，通过实验测试了其在水介质中的电声效率接近70%，基本能满足功率超声应用的需要。此外，我们研制了直径64 mm，长度900 mm的大尺寸径向复合圆柱超声换能器，其电功率可达10 kW以上。