四川大学本科毕业论文 超声波洁牙机手柄的有限元分析
人类在洁齿方面的战斗，可谓历史悠久。1700年前的古埃及人就会用鸢尾花制成牙膏, 然后用手指蘸取來清洁牙齿；非洲的坦桑尼亚居民则在口中反复咀嚼并搓动“洛菲拉”的树枝以达到清洁牙齿的效果。而《礼记》中，关于“鸡初鸣，咸-漱”的记载则表明我国人民于2000年前就知道早晨要用盐水漱口了，敦煌莫高窟的壁画更证明了用手指揩齿是唐宋时期的刷牙方式。据记载当时的“牙膏”是以茯苓等药材煮成的。
1873年,英国高露洁公司推出了世界上第一支牙膏,拉开了现代人洁齿战斗的序幕。而今,刷牙已经成了人们日常生活中的习惯。同时,随着社会文明的发展，人类对口腔卫生保健也越来越重视。日常的牙刷从“手动”升级到 “电动”,牙膏的功能也越来越高级,洗牙作为一种新兴的护齿保健方式,也开始受到欢迎和关注。
专业洗牙就是用超声洁齿器去除牙齿表面附着的软垢、菌斑和牙石。它的主要目的是清洁牙齿，预防牙龈病和评估口腔清洁程度，同时也可以使你的牙齿变得更清洁明亮。洗牙后还必须及时进行牙面磨光术，因为洗牙后牙面容易粗糙，更容易聚集牙石，此外还要配合天天刷牙来保持洗牙成果。 1.2.2超声波洁牙机手柄的研究现状
由于超声波洁牙机具有高效，省电，对牙齿危害小，清洁效果显著等特点，在人们的日常生活中得到了越来越多的应用，因而收到了很多厂商的青睐和研究。
目前，国内常见的品牌有瑞士的EMS，和国产的啄木鸟等。当然日本和美国等制造业发达的国家已经成熟的掌握了这项技术。国内的一些大学和研究机构主要是对现有的超声波洁牙机进行改进和优化。随着我国压电材料的制造的成熟，自由品牌也逐渐增多，比如啄木鸟等品牌。
吴勋辉的专利一种超声波洁牙机手柄把超声波洁牙机手柄的内部各个部件设计成螺纹联接，如图1-1所示，一旦变幅杆和换能器尾座断裂，就可以快速更换新的，方便安装和维修。
图1-1一种超声波洁牙机洁牙机手柄
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1.3超声波洁牙机的特点及其应用
1.3.1与传统的洁牙机（手柄）的比较
传统的洁牙机是用微型的电动机带动微型砂轮，通过砂轮的旋转把牙齿表面的牙垢去除掉。这种方法容易对牙齿表面的釉质造成损害，而且由于砂轮的尺寸，有些地方没办法到达。而且由于误操作造成牙龈的损害。超声波洁牙机是一种利用压电陶瓷（Piezoelectric Ceramic）的逆压电效应超声振动。超声波洁牙机的主机并不直接振动，而是将产生的高频电信号通过导线传输到超声波洁牙机手柄。压电陶瓷受到激励产生振动，进而带动工作头振动。与传统的洁牙机不同的是，超声波洁牙机不直接通过机械结构作用于牙齿，而是通过超声波（机械振动频率>20kHz）在水中产生的超声空化作用把牙齿表面的牙垢震碎清除掉。相对有老式的纯机械式洁牙机，它对牙齿没有损害。 1.3.2超声波洁牙机（手柄）的特点
现在的洁牙机手柄设计的都很小，即使是女护士也很方便的能握住。洁牙机的工作部位就是工作头，因为口腔内环境的复杂，每个牙齿的形状都不一样，因此一般工作头都有5个左右。每一个工作的形状都不同，可以应用不同的工作头达到不同的部位，达到不同的工作效果。
1.3.3超声波洁牙机（手柄）存在的缺点及其不足
弊端：不能经常使用，由于它是通过超声波振动来清洁牙齿的，使用后牙齿表面会变得肉眼看不见的粗糙，频繁使用对牙齿还是会造成伤害。 价格偏贵，一般家庭不太愿意接受。
1.4论文研究的主要内容
1，设计工作频率为28khz的超声波洁牙机手柄。
2，用三维建模软件SolidWorks根据设计尺寸对手柄进行建模。
3，利用ANSYS Workbench对不同尺寸（1，2，3）进行有限元分析，主要涉及模态分析。以确定不同尺寸手柄的固有频率，分析最佳拥有频率的尺寸参数，为超声波洁牙机手柄的设计提供分析基础。
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第二章 压电现象
2.1引言
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。
2.2压电效应
压电效应（英语：Piezoelectricity），是材料中一种机械能与电能互换的现象，此现象最早是1880年由皮埃尔·居里(Pierre Curie)和雅克·居里（Jacques Curie）兄弟发现。压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。电效应有两种，正压电效应及逆压电效应。压电效应在声音的产生和探测，高电压的生成，电频生成，微平衡，和光学器件的超细聚焦有着重要的运用。
（a）正压电效应示意图 （b）逆压电效应示意图
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四川大学本科毕业论文 超声波洁牙机手柄的有限元分析 图2-1压电效应示意图
2.2.1纵向和横向压电效应
有两种压电效应是非常常见的，其中一种是电场的方向和形变的方向相重合，这种压电效应如图2-2（a）所示，称之为纵向压电效应；另一种是电场的方向和形变的方向相垂直，这种压电效应如图2-2（b）所示，称之为横向压电效应。
2.2.2压电性
矿物的压电性是指某些介质的单晶体，当受到定向压力或张力的作用时，能使晶体垂直于应力的两侧表面上分别带有等量的相反电荷的性质。若应力方向反转时，则两侧表面上的电荷易号。水晶等单晶体就具有压电性。 2.2.3名词解释 （1）压电系数
压电系数是压电体把机械能转变为电能或把电能转变成机械能的转换系数引是描述压电晶体在某一方位上的压电效应强弱的一个物理量，常用的为d压电常数。压电系数越大，表征材料弹性性能与介电性能之间的藕合越强，材料的机电转换效率就越高。因此，这个参数是选择压电材料的重要依据。 （2）介电常数
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介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米(F/m)。
定义为电位移D和电场强度E之比，ε=D/Ε。电位移D的单位是库/二次方米(C／m^2)。
某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε0之比称为该电介质的相对介电常数εr ，εr＝ε／ε0是无量纲的纯数，εr与电极化率χe的关系为εr＝(1＋χ)e。 真空介电常数：ε0= 8.854187817×10^-12 F/m
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为相对介电常数(permittivity),如果有高相对介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。
2.3压电效应参数
（1）泊松比
在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长伴随着横向收缩(反之亦然)，而横向应变 e' 与轴向应变 e 之比称为泊松比 V。材料的泊松比一般通过试验方法测定。
泊松比 poisson’s ratio 在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。 注：超过比例极限时，泊松比随应力变化而变化，实际上已不是泊松比。此时若记录泊松比，应指出测应力值。对于各向异性材料，泊松比随施加应力的方向变化。泊松比的值一般都很小。 （2）杨氏模量
杨氏模数(Young's modulus )是材料力学中的名词。弹性材料承受正向应力时会产生正向应变，在形变量没有超过对应材料的一定弹性限度时，定义正向应力与正向应变的比值为这种材料的杨氏模量。公式记为
E?? ?其中，E 表示杨氏模数，σ 表示正向应力，ε 表示正向应变。
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