本科毕业设计(论文)
超声波换能器优化设计与实验
孙骏
燕 山 大 学
2013年6月
本科毕业设计(论文)
超声波换能器优化设计与实验
学院(系)： 里仁学院 专 业：工业自动化仪表2班 学生 姓名： 孙骏 学 号： 091203021123 指导 教师： 童凯 答辩 日期： 2013年6月
燕山大学毕业设计(论文)任务书
学院：里仁学院 系级教学单位：电气工程系 学 学生 专 业 091203021123 仪表09-2 孙骏 号 姓名 班 级 题目名称 题目性质 题目类型 题目来源 超声波换能器优化设计与实验 1.理工类：工程设计 ( √ )；工程技术实验研究型( )； 题 目 理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( )。 2.文管类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )。 1.毕业设计( ) 2.论文( √ ) 科研课题(√ ) 生产实际( )自选题目( ) 主 要 内 容 1、完成超声波换能器的结构与材料参数优化设计 2、完成超声波换能器优化仿真 3、完成多种频率超声换能器的性能测试实验与分析 基 本 要 求 1、方案设计合理、查阅文献充分； 2、理论分析正确、论证严密； 3、仿真结果可靠，与理论相符； 4、毕业设计论文符合撰写规范、符合要求。 参 相关文献 考 资 料 周 次 1—4周 查阅资料 应 阅读文献 完 成 的 内 容 5—8周 方案论证 建立模型 9—12周 理论分析 结构设计 13—16周 特性仿真 特性实验 17—18周 撰写论文 准备答辩 指导教师：童凯 职称：副教授 2012年12 月8日
系级教学单位审批：谢平 2012年12月30日
摘要
摘要
根据传统的一维设计理论，夹心超声换能器做一维振动而泊松效应和径向振动被忽略掉。因此，一维理论下必须要求换能器的径向尺寸远小于其纵向尺寸。一般来说，当径向尺寸小于介质中传播的波的四分之一波长时，使用一维理论设计的换能器其共振频率理论与测量间的误差可以忽略。然而，随着超声技术的不断发展，超声换能器越来越广泛的应用于一些新领域，如高频超声金属和塑料焊接及一些需要大功率、高声强的超声领域。在这些情况下，换能器的径向尺寸较大，通常大于纵波波长的四分之一。因此夹心换能器的一维设计理论将不再适用，否则将会出现较大误差。在以上提到的情况中，换能器的振动实际上是一种径向振动和纵向振动的耦合形式，因此为研究大横截面或高频换能器的耦合振动必须发展一种新的设计理论。
对于夹心式压电超声换能器耦合振动，不少学者曾用数值方法对其频率特性和振动模态进行了研究。所有数值方法中有限元法前景最为广阔。现在一些商业软件如ANSYS对于此类振动系统的分析非常方便。
本文主要开展了如下两方面的研究内容:
(1)基于表观弹性法对大尺寸压电超声换能器的组件如前后盖板，压电陶瓷堆、变幅杆等一一进行振动特性分析，分别得到考虑纵径耦合时的频率方程表达式，引入耦合系数这一概念，探究不同纵径比时耦合程度的强弱，比起传统一维换能器设计理论本文的结论很好的符合了有限元仿真值。
(2)采用有限元软件ANSYS对设计的一组大尺寸压电夹心换能器进行模态分析及谐响应分析，得到了换能器的纵振共振频率和反共振频率，提取了表达换能器性能的频响曲线，如Y－F曲线，G/B－F曲线，评价了本文理论对精确计算大尺寸夹心换能器共振频率的修正作用。
关键词:大尺寸压电换能器；表观弹性法；耦合振动；有限元分析
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