模式轉(zhuǎn)換型徑扭復(fù)合振動(dòng)壓電超聲換能器研究.pdf

1、隨著工業(yè)的發(fā)展及科技的進(jìn)步，工程上對(duì)換能器振動(dòng)狀態(tài)及振動(dòng)種類的要求越來越多樣化，特別是在超聲旋轉(zhuǎn)加工、切削、超聲電機(jī)等領(lǐng)域，要求各種復(fù)合振動(dòng)模式的換能器。復(fù)合振動(dòng)模式的壓電超聲換能器主要是由單一振動(dòng)模式轉(zhuǎn)換耦合而來，主要有縱扭、縱彎、彎扭模式等。
　　超聲電機(jī)的定子實(shí)質(zhì)上是一個(gè)復(fù)合振動(dòng)模式的超聲換能器，因其大扭矩、低噪聲抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)而成為近年研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)電磁式電機(jī)可被超聲電機(jī)取代應(yīng)用于需要抗電磁干擾、低噪聲的精密儀器。超

2、聲電機(jī)的種類也隨著各領(lǐng)域需求的不同而不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。
　　本文提出了一種模式轉(zhuǎn)換型徑扭復(fù)合振動(dòng)模式的壓電超聲換能器。通過推導(dǎo)理論、建立模型、實(shí)驗(yàn)分析的方法系統(tǒng)研究了扭復(fù)合振動(dòng)模式的壓電超聲換能器的振動(dòng)特性。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.首先利用諧振疊加法對(duì)由縱向振動(dòng)的壓電超聲換能器與徑向振動(dòng)的狹縫式環(huán)形聚能器組成的具有功率合成功能的縱-徑耦合型超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行探究。通過機(jī)電類比原理導(dǎo)出系統(tǒng)的等效電路圖及共振頻率方程，得到了狹縫

3、式環(huán)形聚能器振幅放大系數(shù)及第1階及第2階諧振頻率隨內(nèi)外半徑比變化的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，采用振幅放大系數(shù)較大的第2階共振模式的聚能器與換能器組合可以合成較大的超聲功率，理論與仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
　　2.研究了等厚度斜縫式壓電超聲換能器的振動(dòng)特性。分別討論金屬環(huán)形蓋板的徑向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性，通過引入徑-徑耦合系數(shù)和徑-扭耦合系數(shù)，將徑向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等效阻抗串聯(lián)耦合到壓電陶瓷圓盤徑向振動(dòng)電路的機(jī)械端，得到換能器總體等效電路及共振頻率方

4、程。通過理論和仿真及實(shí)驗(yàn)的方法分析了換能器斜角及內(nèi)外半徑比與共振頻率的關(guān)系。
　　3.對(duì)線性變厚度斜縫式壓電超聲換能器振動(dòng)特性進(jìn)行了分析研究。采用ANSYS有限元仿真軟件完成了模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析及瞬態(tài)分析研究。得到換能器的共振頻率、反共振頻率、導(dǎo)納頻率曲線，仿真出斜角為30°、45°、60°的壓電超聲換能器邊緣同一位置節(jié)點(diǎn)在其共振頻率下的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，并與等厚度斜縫式換能器在其共振頻率下同一位置處節(jié)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了比較。<