模式转换型径扭复合功率超声振动系统的研究

Based on the current one-dimensional longitudinal composite mode ultrasonic vibration system, a new type of two-dimensional plane radial composite high power ultrasonic vibration system of radial-torsional vibration by mode conversion is presented in this project. The ultrasonic vibration system is radially compound of a piezoelectric ceramic or a group of identical longitudinal vibration ultrasonic transducers and a metal ring with multiple diagonal slits.The project aims to explore the design theory of this new kind of radial-torsional composite mode ultrasonic vibration system from the theory and experment. Proposed By introducing a stress coupling parameter of the radial-torsional vibration mode conversion and combining with the specific boundary conditions of the system, the coupled electro-mechanical equivalent circuit and the resonance frequency equation of the radial-torsional composite vibration system will be derived. Then, the interdependencies between the resonance frequencies, the effective electro-mechanical coupling coefficient, the impedance and the geometrical dimensions of the system will be analyzed, the effects of the parameters such as the inclination, the position and so on of the diagonal slits on the resonance frequency, the amplitude and the angular amplitude coefficient as well as the output vibration characteristics of the system will also be discussed. Furthermore,the resonance frquency, the radial-torsional composite vibration mode and the distribution of the displacement and the angular displacement of the system will be analyzed and optimized by using numerical simulation method. Finally, the electro-mechanical parameters, the composite vibration modes and the output vibration characteristics of the system will be verified by experiments, so as to lay the preliminary theoretical and experimental foundation for the designs and applications of this new kind of radial-torsional composite mode ultrasonic vibration system.

基于目前的一维纵向复合模式超声振动系统，本项目提出一种二维平面径向复合结构的模式转换型径扭复合功率超声振动系统。该系统由压电陶瓷圆盘或一组纵向振动超声换能器与斜缝式圆环径向复合而成。项目旨在从理论和实验上探索此类新型径扭复合模式超声振动系统的设计理论。拟通过引入径扭振动模式转换应力耦合参数，结合具体的边界条件，推导出系统径扭复合模式振动的耦合机电等效电路及其共振频率方程。在此基础上，探讨系统的共振频率、有效机电耦合系数、阻抗等机电特性参数与其几何尺寸之间的依赖关系；探讨斜缝的倾角、位置等参数对系统共振频率、振幅及角振幅放大系数以及输出特性的影响。利用数值模拟法对系统的径扭复合振动模态、位移及角位移分布以及频率特性进行仿真与优化，并通过实验对系统的机电特性参数、振动模态以及复合振动输出特性进行验证。为此类径扭复合模式超声振动系统的设计及应用奠定初步的理论与实验基础。

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。.项目对提出的二维平面径向复合型径扭振动模式转换超声振动系统进行了研究。该系统由压电陶瓷圆盘或一组纵向振动夹心换能器与斜缝式金属弹性圆环径向复合而成。基于弹性力学理论及机电类比原理，通过引入模式转换耦合参数，建立起系统的径扭模式转换复合振动的耦合机电等效电路理论模型，得出了复合共振频率方程。对系统的频率特性、阻抗特性、位移振幅等机电特性进行了较系统的理论、仿真和实验研究，获得了一些有应用价值的结果，为此类径扭复合振动系统应用奠定了理论和实验基础。研究重点主要在以下几方面：.1、首先在圆盘径向振动基础上，研究了沿半径开狭缝的圆环径向振动特性。基于机电类比原理，通过引入面积比系数，推导出了斜缝式圆环径向振动等效电路及频率方程；得到了径向位移放大系数的表达式；通过数值计算，探讨了圆环第1、2阶径向共振频率及位移放大系数与其半径比的关系；探究了斜缝长度、角度及数量对系统共振频率及位移振幅的影响，并进行了有限元仿真。研究表明，狭缝式圆环振幅放大系数随其半径比的变化出现极大值，并随狭缝数量、长度及宽度的增加而增大；而径向共振频率则随三者增加而降低。.2、研究了模式转换型压电换能器的径扭复合振动特性。系统由厚度极化压电圆盘与斜缝式金属圆环(等厚度和变厚度)径向复合，构成由内向外的压电复合振动系统。基于弹性理论理论，通过引入径向和径扭耦合参数，得到了系统的机电等效电路模型和频率方程。研究了系统共振频率与斜缝角度与圆环半径比关系；实验测试了系统共振及反共振频率、导纳频率曲线；通过有限元模态和谐响应分析，得到了30、45及60度斜角时系统外侧质点运动的椭圆轨迹图。研究表明，理论、仿真和实验测试结果比较一致;45度斜角椭圆离心率较小，形态较好。.3、对由一组夹心式换能器与斜缝式锥形变厚度圆环径向复合而成的超声椭圆振动功率合成系统进行了有限元仿真研究。引入了扭径比函数，利用仿真方法研究了系统第1、2阶径扭复合共振频率与斜缝角度、缝数及缝长之间的关系；采用谐响应及瞬态分析方法，得到了系统谐振状态下，辐射面质点椭圆轨迹图，探讨了椭圆轨迹形态与斜缝长度、斜缝角度等几何参数之间的关系。并通过实验验证了功率合成系统共振频率的仿真结果。