微型壓電超聲換能器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、超聲波在國防工業(yè)、機(jī)械電子、材料制造以及醫(yī)療等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，隨著其應(yīng)用領(lǐng)域地不斷擴(kuò)展，超聲技術(shù)在經(jīng)濟(jì)體中的地位也愈加重要。相較于傳統(tǒng)的方式，醫(yī)療超聲在診斷和治療中有著極大的優(yōu)勢。如今，醫(yī)學(xué)中的很多研究已處于細(xì)胞和分子領(lǐng)域，研究對象尺度非常小。因此，為了減少目標(biāo)損傷和提高純凈度，超聲振動(dòng)系統(tǒng)小型化的需求成為必然，而這其中的重點(diǎn)便是超聲換能器和刀具的小型化。本文主要研究了壓電超聲換能器的微型化設(shè)計(jì)、加工及優(yōu)化，缺陷和負(fù)載對換能器工作

2、的影響以及微型壓電超聲換能器在顯微切割中的應(yīng)用等幾個(gè)方面，全文的主要研究成果如下：
　?。?）選取微型壓電超聲換能器零件材料，依據(jù)四端網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算了微型超聲換能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了兩端自由的超聲換能器有限元模型，通過模態(tài)和諧響應(yīng)分析，得到了換能器諧振頻率，結(jié)點(diǎn)位移等參數(shù)以及在各個(gè)模態(tài)下的振型圖。
　?。?）分別繪制了超聲換能器壓緊螺母、前后蓋板、預(yù)應(yīng)力螺栓、變幅桿和刀具的零件圖以及總體裝配圖，并依此加工了換能器的各零件，用電化

3、學(xué)腐蝕法加工了符合尺度的刀具，加工了最大直徑僅6mm、長64mm的微型壓電超聲換能器。
　　（3）針對換能器工作中可能出現(xiàn)的異常發(fā)熱現(xiàn)象，建立了服役中超聲刀具微裂紋相對運(yùn)動(dòng)的有限元模型，對工作狀態(tài)下微裂紋表面的動(dòng)接觸行為和發(fā)熱現(xiàn)象分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及仿真分析，結(jié)果表明：裂紋兩表面的振動(dòng)是不一致的，裂紋中部溫度明顯高于其它部位，而且溫度趨勢是先快速升高后下降至平穩(wěn)。
　?。?）對微型壓電超聲換能器的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測量，分別搭建了

4、系統(tǒng)導(dǎo)納測量平臺(tái)和振幅測量平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)測量建立了超聲換能器的導(dǎo)納—頻率關(guān)系和振幅—電壓關(guān)系，并推斷出了其振型和諧振頻率。然后與仿真及理論設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，分析了造成差異的原因，并優(yōu)化了換能器的結(jié)構(gòu)。
　?。?）比較了不同負(fù)載條件下超聲換能器導(dǎo)納和頻率的變化，并據(jù)此計(jì)算了針對實(shí)驗(yàn)負(fù)載的匹配電感，為提高超聲換能器的工作效率提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。搭建了微型壓電超聲換能器切割實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過對比是否施加超聲振動(dòng)切割動(dòng)物微組織的實(shí)驗(yàn)，展示