目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 超聲換能器簡介 1
1.2 功率超聲振動系統(tǒng)簡介 4
1.3 超聲換能器的性能參數(shù) 8
1.3.1 發(fā)射換能器和接收換能器共同要求的性能指標 8
1.3.2 對發(fā)射換能器特別要求的性能指標 10
1.3.3 對接收換能器特別要求的性能指標 11
1.4 超聲換能器的研究方法 13
1.5 超聲換能器的電聲四端網(wǎng)絡 15
1.5.1 電聲四端網(wǎng)絡研究方法 16
1.5.2 電聲四端網(wǎng)絡的一般關系式 16
1.5.3 發(fā)射型壓電換能器的四端網(wǎng)絡 17
第2章 質(zhì)點振動學基礎 20
2.1 單自由度質(zhì)點振動系統(tǒng)的自由振動 20
2.2 單自由度質(zhì)點振動系統(tǒng)的阻尼振動 22
2.3 單自由度質(zhì)點振動系統(tǒng)的強迫振動 24
2.3.1 振動速度振幅的頻率特性及機械諧振 25
2.3.2 振動系統(tǒng)的功率頻率特性曲線 27
2.3.3 振動系統(tǒng)位移振幅的頻率特性曲線 28
2.3.4 振動系統(tǒng)加速度振幅的頻率特性曲線 31
2.3.5 振動控制原理 32
2.4 機械系統(tǒng)的力電類比 33
第3章 彈性體的振動 36
3.1 均勻截面細棒的縱向振動 37
3.1.1 均勻截面細棒縱向振動的基本理論 37
3.1.2 均勻截面細棒和電波傳輸線的類比以及細棒縱向振動的等效電路 40
3.1.3 均勻截面細棒縱向振動的固有頻率修正 41
3.1.4 有限尺寸短圓柱及厚圓盤的縱向與徑向耦合振動 43
3.1.5 幾種特殊振動體的振動分析 47
3.1.6 矩形六面體的三維耦合伸縮振動 49
3.2 均勻截面細棒的彎曲振動 53
3.2.1 棒的橫振動方程 54
3.2.2 不同邊界條件下棒的彎曲振動分析 57
3.3 彈性薄板的彎曲振動 59
3.3.1 薄圓板的彎曲振動 59
3.3.2 矩形薄板的彎曲振動 63
3.4 彈性薄圓板的徑向振動 68
3.4.1 各向同性彈性薄圓盤的徑向振動 68
3.4.2 彈性薄圓環(huán)的徑向振動 73
第4章 固體中的彈性波 79
4.1 固體彈性介質(zhì)的基本特性 79
4.1.1 固體彈性介質(zhì)中的應力和應力分量 80
4.1.2 固體彈性介質(zhì)中的應變和應變分量 81
4.1.3 彈性體內(nèi)應力與應變之間的關系—廣義胡克定律 82
4.2 固體介質(zhì)中的彈性波 84
4.2.1 固體彈性介質(zhì)中的波動方程 84
4.2.2 固體介質(zhì)中的縱波和橫波 85
4.3 表面波 87
4.3.1 表面波的特性及類型 89
4.3.2 表面波的產(chǎn)生—叉指換能器 91
4.3.3 叉指換能器的等效電路 93
第5章 彈性波的傳播 98
5.1 彈性波的反射和折射 98
5.1.1 聲波在兩種非固體介質(zhì)交界面處的反射和折射 99
5.1.2 平面縱波從流體介質(zhì)入射到固體介質(zhì) 101
5.1.3 聲波入射到固液、固固介質(zhì)的分界面上 101
5.1.4 聲波通過介質(zhì)層的反射與透射 102
5.2 聲波的疊加、干涉、駐波及衍射 103
5.3 聲波的散射 105
5.4 聲波的吸收 107
5.4.1 聲吸收的研究歷史 108
5.4.2 聲吸收的種類 109
5.4.3 實際介質(zhì)的聲吸收 110
5.4.4 聲吸收理論 111
第6章 固體超聲變幅桿 114
6.1 超聲變幅桿的基本理論 115
6.1.1 變截面桿縱振動的波動方程 116
6.1.2 不同種類變幅桿放大特性的比較研究 119
6.2 指數(shù)型超聲變幅桿的理論設計 124
6.3 性能可調(diào)的縱向振動圓錐型超聲變幅桿 128
6.3.1 理論分析 129
6.3.2 電阻抗和壓電陶瓷材料對變幅桿共振頻率和放大系數(shù)的影響 132
6.3.3 變幅桿振動性能的數(shù)值模擬 136
6.3.4 實驗驗證 137
6.3.5 本節(jié)小結(jié) 139
6.4 性能可調(diào)的縱向振動階梯型超聲變幅桿 140
6.4.1 理論分析 140
6.4.2 電阻抗對階梯型超聲變幅桿性能的影響 143
6.4.3 壓電材料的位置對變幅桿性能的影響 147
6.4.4 實驗驗證 150
6.4.5 本節(jié)小結(jié) 152
6.5 性能可調(diào)的復合型超聲變幅桿 152
6.5.1 性能可調(diào)的復合型超聲變幅桿的設計理論 152
6.5.2 電阻抗對復合型超聲變幅桿性能的影響 155
6.5.3 壓電陶瓷圓環(huán)位置對復合型超聲變幅桿振動性能的影響 158
6.5.4 壓電陶瓷圓環(huán)的厚度對復合型超聲變幅桿振動性能的影響 160
6.5.5 實驗研究 162
6.5.6 本節(jié)小結(jié) 165
6.6 扭轉(zhuǎn)振動超聲變幅桿的設計理論 165
6.6.1 變幅桿的截面極慣性矩按照規(guī)律變化 166
6.6.2 變幅桿的截面極慣性矩按照規(guī)律變化 168
6.6.3 變幅桿的截面極慣性矩按照規(guī)律變化 169
6.7 縱扭復合模態(tài)超聲變幅桿的設計理論 170
6.7.1 縱扭復合模態(tài)指數(shù)型超聲變幅桿的振動特性 170
6.7.2 實驗驗證 174
6.7.3 本節(jié)小結(jié) 175
6.8 具有縱扭復合振動模態(tài)的復合型超聲變幅桿 176
6.8.1 縱扭復合振動模態(tài)變幅桿的共振頻率方程 177
6.8.2 實驗驗證 180
6.9 縱向超聲變幅桿橫向振動的頻率修正 181
6.9.1 縱向振動超聲變幅桿橫向振動的頻率修正理論 181
6.9.2 實驗驗證及結(jié)論 184
6.10 大尺寸圓形截面超聲變幅桿的近似設計理論 185
6.10.1 大截面變幅桿的近似設計理論 186
6.10.2 理論計算及實驗驗證 189
6.11 大尺寸矩形斷面超聲變幅桿的設計理論 189
6.11.1 基本理論 189
6.11.2 實驗及結(jié)論 193
6.12 大尺寸矩形截面復合超聲變幅桿的解析分析理論 194
6.12.1 大尺寸矩形截面復合型超聲變幅桿的設計理論 194
6.12.2 實驗及結(jié)論 198
6.13 超聲變幅桿的連接與夾持 200
6.14 超聲變幅桿的耦合工具頭 201
6.15 超聲變幅桿的設計和測量 202
6.15.1 變幅桿類型及所用材料的選擇 202
6.15.2 設計方法 203
6.15.3 變幅桿的測量 204
第7章 縱向夾心式壓電陶瓷換能器 207
7.1 概論 207
7.2 壓電材料的基本性質(zhì) 214
7.2.1 壓電材料發(fā)展概況 214
7.2.2 壓電材料種類 215
7.3 縱向夾心式壓電陶瓷換能器的理論分析及設計 219
7.3.1 變截面細棒的一維縱振動方程及其解 220
7.3.2 壓電陶瓷晶堆的機電狀態(tài)方程及其等效電路 224
7.3.3 縱向夾心式壓電陶瓷換能器的機電等效電路及其特性分析 226
第8章 扭轉(zhuǎn)振動功率超聲換能器 235
8.1 切向極化壓電陶瓷細長棒的扭轉(zhuǎn)振動 235
8.1.1 扭轉(zhuǎn)振動的機械方程式 236
8.1.2 電路狀態(tài)方程式 237
8.1.3 機電等效電路圖 238
8.1.4 切向極化壓電陶瓷細棒扭轉(zhuǎn)振動的頻率方程 240
8.2 切向極化壓電陶瓷薄圓環(huán)的扭轉(zhuǎn)振動 240
8.2.1 振子的機械運動方程式 241
8.2.2 壓電陶瓷薄圓片振子的電路狀態(tài)方程式 242
8.2.3 振子的機電等效圖 243
8.2.4 壓電陶瓷薄圓環(huán)振子厚度剪切振動的頻率方程 245
8.3 切向極化壓電陶瓷晶堆的扭轉(zhuǎn)振動 245
8.4 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動換能器的設計理論 248
8.4.1 夾心式壓電陶瓷扭轉(zhuǎn)振動換能器的頻率方程 248
8.4.2 討論 252
8.4.3 負載對換能器共振頻率方程的影響 253
8.4.4 換能器各部分材料參數(shù)的選取及計算 253
8.4.5 切向極化壓電元件的制作工藝技術 254
8.4.6 本節(jié)小結(jié) 254
8.5 振動模態(tài)轉(zhuǎn)換扭轉(zhuǎn)振動換能器 255
8.5.1 斜槽式縱-扭復合模式超聲換能器的等效電路 255
8.5.2 縱-扭復合振動傳振桿中斜槽的傾斜角度對系統(tǒng)共振頻率的影響 259
8.5.3 實驗 260
8.5.4 本節(jié)小結(jié) 261
第9章 彎曲振動超聲換能器 262
9.1 疊片式彎曲振動壓電陶瓷換能器 263
9.2 有限尺寸矩形疊板壓電陶瓷振子的彎曲振動 266
9.2.1 矩形薄板繞y軸的彎曲振動 268
9.2.2 矩形薄板繞x軸的彎曲振動 268
9.2.3 壓電陶瓷矩形薄板彎曲振動的共振頻率 269
9.2.4 彎曲振動矩形薄板的幾種特殊振動模式 270
9.2.5 實驗驗證 271
9.3 夾心式彎曲振動壓電陶瓷換能器 272
9.3.1 夾心式彎曲振動壓電陶瓷換能器的波動方程分析法 272
9.3.2 夾心式彎曲振動壓電陶瓷換能器的近似設計理論 276
9.3.3 考慮壓電效應夾心式彎曲振動換能器的波動方程分析法 280
9.4 模式轉(zhuǎn)換型彎曲振動換能器 285
9.4.1 縱向換能器與細棒組成的彎曲振動換能器 286
9.4.2 縱向振動換能器與圓盤組成的模式轉(zhuǎn)換型彎曲振動換能器 288
9.4.3 縱向夾心式壓電陶瓷換能器與矩形薄板組成的模式轉(zhuǎn)換型彎曲振動換能器 294
9.5 壓電陶瓷片與金屬盤(等厚度)組成的彎曲振動換能器 301
9.5.1 運動方程 301
9.5.2 邊界條件 303
9.5.3 頻率方程 304
9.5.4 數(shù)值計算及模擬仿真結(jié)果 306
9.5.5 本節(jié)小結(jié) 309
9.6 均勻厚度復合圓盤彎曲振動換能器的優(yōu)化設計 309
9.6.1 均勻厚度復合圓盤彎曲振動換能器振動特性的數(shù)值模擬 309
9.6.2 均勻厚度復合圓盤彎曲振動換能器的輻射聲場 315
9.6.3 實驗測試 321
9.6.4 本節(jié)小結(jié) 324
9.7 壓電陶瓷片與金屬盤(變厚度)組成的彎曲振動換能器 325
9.7.1 線性漸變厚度復合圓盤彎曲振動換能器的優(yōu)化設計 325
9.7.2 實驗測試 332
9.7.3 本節(jié)小結(jié) 334
第10章 徑向夾心式壓電陶瓷換能器 336
10.1 概述 336
10.2 縱向極化的徑向夾心式壓電陶瓷換能器 339
10.2.1 彈性圓盤的徑向振動 339
10.2.2 彈性薄圓環(huán)的徑向振動 343
10.2.3 縱向極化壓電陶瓷實心圓盤的徑向振動 347
10.2.4 縱向極化壓電陶瓷薄圓環(huán)的徑向振動 353
10.2.5 厚度極化的徑向復合超聲換能器—“壓電陶瓷圓盤+金屬圓環(huán)” 359
10.2.6 縱向極化徑向振動壓電陶瓷復合換能器—“壓電陶瓷圓環(huán)+金屬圓環(huán)” 364
10.2.7 徑向夾心式壓電陶瓷換能器—內(nèi)質(zhì)量塊為金屬圓盤 369
10.2.8 徑向夾心式壓電陶瓷換能器—內(nèi)質(zhì)量塊為金屬圓環(huán) 372
10.2.9 具有縱向極化壓電陶瓷晶堆的徑向復合換能器 376
10.3 徑向極化的徑向夾心式壓電陶瓷換能器 383
10.3.1 徑向極化的壓電陶瓷圓形振子的徑向振動 383
10.3.2 金屬彈性長圓管及薄圓環(huán)的徑向振動研究 402
10.3.3 徑向極化的徑向夾心式壓電陶瓷圓管型換能器 409
10.3.4 徑向極化的徑向夾心式壓電陶瓷圓環(huán)型換能器 412
10.4 變截面徑向夾心式壓電陶瓷換能器 415
10.4.1 變厚度金屬薄圓環(huán)(徑向變幅器)的徑向振動 416
10.4.2 變厚度徑向夾心式壓電陶瓷換能器 422
第11章 級聯(lián)式壓電陶瓷復合換能器 423
11.1 概述 423
11.2 縱向級聯(lián)式壓電陶瓷復合換能器 424
11.2.1 縱向級聯(lián)式壓電陶瓷換能器的理論基礎 425
11.2.2 變截面彈性細棒的一維縱振動方程及等效電路 429
11.2.3 壓電陶瓷晶堆的縱向振動及等效電路 434
11.2.4 縱向級聯(lián)式壓電陶瓷復合換能器的分析—忽略損耗和負載 441
11.2.5 縱向級聯(lián)式壓電陶瓷復合換能器的分析—考慮損耗和負載 453
11.3 徑向級聯(lián)式壓電陶瓷換能器 470
11.3.1 徑向級聯(lián)式壓電陶瓷換能器的機電等效電路和頻率方程(厚電極) 470
11.3.2 壓電陶瓷圓環(huán)的幾何尺寸和位置對換能器性能參數(shù)的影響 476
11.3.3 徑向級聯(lián)式壓電陶瓷復合換能器的有限元分析及實驗研究 480
11.3.4 具有徑向極化壓電陶瓷晶堆的徑向復合換能器(薄電極) 483
11.3.5 具有徑向極化壓電陶瓷晶堆的徑向復合換能器與傳統(tǒng)的徑向復合換能器的性能對比 494
第12章 基于聲子晶體周期結(jié)構的功率超聲振動系統(tǒng) 497
12.1 基于聲子晶體周期結(jié)構的耦合振動控制法 500
12.1.1 相關理論 501
12.1.2 基于聲子晶體結(jié)構的耦合振動控制法的研究思路 506
12.2 大尺寸縱向夾心式壓電陶瓷換能器的優(yōu)化設計 507
12.2.1 基于點缺陷二維正方晶格近周期聲子晶體結(jié)構的大尺寸縱向夾心式壓電陶瓷換能器的設計 509
12.2.2 管柱型近周期聲子晶體點缺陷結(jié)構的大尺寸縱向振動壓電超聲換能器的設計 515
12.3 基于大尺寸變幅桿的功率超聲換能器系統(tǒng)的優(yōu)化設計 522
12.3.1 基于近周期聲子晶體結(jié)構的大尺寸楔形變幅桿的設計 524
12.3.2 基于近周期聲子晶體異質(zhì)位錯結(jié)的大尺寸楔形變幅桿的設計 526
12.3.3 異質(zhì)位錯結(jié)參數(shù)對變幅桿振動系統(tǒng)性能的影響 529
12.4 基于大尺寸工具頭的功率超聲換能器系統(tǒng)的優(yōu)化設計 533
12.4.1 基于大尺寸二維工具頭的功率超聲換能器系統(tǒng)的優(yōu)化設計 533
12.4.2 基于大尺寸三維工具頭的功率超聲換能器系統(tǒng)的優(yōu)化設計 545
12.4.3 基于大尺寸圓柱型工具頭的功率超聲換能器系統(tǒng)的優(yōu)化設計 561
12.5 基于一維聲子晶體周期結(jié)構的徑向振動功率超聲換能器 566
12.5.1 換能器的理論分析和實驗驗證 566
12.5.2 振動性能分析 572
12.6 斜槽型縱-扭復合模態(tài)超聲振動系統(tǒng)的優(yōu)化設計 576
12.6.1 斜槽型縱-扭復合振動系統(tǒng)的設計 576
12.6.2 基于周期性扇形孔結(jié)構的斜槽型縱-扭復合振動系統(tǒng)的設計 579
12.7 本章總結(jié) 587
第13章 功率超聲壓電陶瓷換能器的電學及聲學匹配 589
13.1 壓電陶瓷換能器概述 589
13.2 壓電陶瓷材料參數(shù)、壓電陶瓷振子的邊界條件及壓電方程 590
13.2.1 壓電陶瓷材料及其參數(shù) 590
13.2.2 壓電振子的四類邊界條件 594
13.2.3 壓電振子的四類壓電方程 595
13.2.4 壓電材料的其他重要參數(shù) 597
13.3 壓電陶瓷振子的振動模式 599
13.3.1 壓電陶瓷振子的振動模式概述 599
13.3.2 壓電陶瓷振子的伸縮振動模式 603
13.3.3 壓電陶瓷振子的厚度剪切振動模式 605
13.3.4 壓電陶瓷振子的彎曲振動模式 606
13.4 壓電陶瓷振子的諧振特性 606
13.5 壓電陶瓷振子的集中參數(shù)等效電路 608
13.5.1 壓電陶瓷振子的等效電阻的情況 608
13.5.2 壓電陶瓷振子的等效電阻的情況 609
13.6 壓電陶瓷超聲換能器的動態(tài)特性 609
13.6.1 壓電陶瓷超聲換能器的動態(tài)等效電路及導納圓圖 610
13.6.2 壓電陶瓷超聲換能器的最大響應頻率 611
13.6.3 有源二端網(wǎng)絡與無源二端網(wǎng)絡的功率傳輸問題 612
13.7 功率超聲壓電陶瓷超聲換能器的電匹配 614
13.7.1 壓電換能器調(diào)諧匹配的基本原理 616
13.7.2 電匹配電路對換能器振動系統(tǒng)的影響 622
13.7.3 幾種常見的換能器匹配電路分析 626
13.7.4 小結(jié) 629
13.8 壓電陶瓷超聲換能器的聲學匹配 629
13.8.1 檢測超聲以及醫(yī)學診斷超聲換能器(小信號)的聲阻抗匹配 630
13.8.2 功率超聲以及醫(yī)學超聲治療換能器(大信號)的聲阻抗匹配 633
第14章 超聲換能器的測量 647
14.1 功率超聲換能器性能參數(shù)的小信號測試方法 647
14.1.1 導納圓圖法 648
14.1.2 傳輸線路法 649
14.1.3 M曲線法 650
14.1.4 低值壓電換能器的測量 652
14.1.5 測量相位角的方法 653
14.2 換能器大功率工作狀態(tài)下的性能參數(shù)測量 654
14.2.1 夾心式壓電陶瓷換能器的瓦特計測試方法 654
14.2.2 功率特性曲線法(直接法) 656
14.2.3 振動系統(tǒng)振動位移及其分布的測量 657
14.2.4 聲功率、聲強和聲場中空化強度的測量 659
14.3 功率超聲振動系統(tǒng)前后振速比的簡易測試方法 664
14.3.1 測試原理 665
14.3.2 實驗測試 666
14.3.3 小結(jié) 667
14.4 功率超聲換能器電聲效率及輻射聲功率的近似測量方法 668
14.4.1 概述 668
14.4.2 高頻電功率計法的基本測試原理 668
14.4.3 諧振-失諧法 670
14.4.4 關于換能器輻射阻抗的一些考慮 672
14.4.5 實驗 673
14.4.6 討論及結(jié)論 674
第15章 超聲技術的原理及其應用 676
15.1 概述 676
15.2 超聲技術的發(fā)展史 678
15.3 自然界中的超聲 680
15.4 超聲的各種效應及其作用機理 681
15.5 超聲的應用概述 682
15.5.1 超聲波作為探測、計量、通信的信號和信息 682
15.5.2 超聲波作為加工處理的能量 682
15.6 超聲在海洋中的應用 683
15.6.1 聲吶 683
15.6.2 聲吶技術發(fā)展史 685
15.6.3 聲吶的應用 687
15.7 超聲在機械制造方面的應用 692
15.7.1 超聲探傷 692
15.7.2 超聲測量 693
15.7.3 超聲用于研究物質(zhì)結(jié)構 694
15.7.4 超聲加工 694
15.7.5 超聲焊接 694
15.7.6 超聲馬達 698
15.7.7 超聲懸浮 699
15.7.8 超聲清洗 700
15.8 超聲在電子技術中的應用 703
15.8.1 在雷達中的應用 703
15.8.2 在電子計算機中的應用 704
15.9 超聲在食品工業(yè)中的應用 704
15.9.1 加速細化、乳化和擴散過程 704
15.9.2 超聲凝聚及快速沉淀 704
15.9.3 超聲加速化學反應 704
15.9.4 超聲提取生物中的有效成分 705
15.10 超聲在農(nóng)業(yè)上的應用 705
15.10.1 農(nóng)作物種子處理和誘變 706
15.10.2 在植物保護方面的應用 706
15.10.3 在農(nóng)業(yè)工程和農(nóng)田水利方面的應用 706
15.10.4 在其他方面的應用 707
15.11 超聲在石油工業(yè)中的應用 707
15.11.1 超聲在石油開采中的應用 707
15.11.2 超聲除蠟 708
15.11.3 超聲原油脫水 708
15.11.4 超聲乳化 708
15.12 超聲在環(huán)保業(yè)中的應用 708
15.12.1 超聲除塵和凈化水質(zhì) 708
15.12.2 超聲防止鍋垢 709
15.13 超聲在日常生活中的應用 709
15.13.1 超聲波加濕器 709
15.13.2 超聲波洗衣機 709
15.13.3 超聲波沐浴器 710
15.13.4 超聲波牙刷 710
15.13.5 超聲波洗碗機 710
15.14 超聲在醫(yī)學中的應用 710
15.14.1 超聲診斷 711
15.14.2 超聲治療 717
15.15 超聲在生物學中的應用 728
15.15.1 超聲對細菌的作用 728
15.15.2 超聲對小動物的作用 729
15.15.3 超聲破壞細胞 729
15.16 超聲在化學工業(yè)中的應用—聲化學 729
第16章 空化 731
16.1 流體動力空化 732
16.1.1 流體動力空化的發(fā)展歷史及分類 732
16.1.2 流體動力空化理論、危害及應用 734
16.1.3 超空泡技術及其應用 737
16.2 超聲空化 740
16.2.1 超聲空化的發(fā)展史 741
16.2.2 影響超聲空化的因素 742
16.2.3 超聲空化的主要研究內(nèi)容 743
16.2.4 超聲空化的研究進展 743
16.2.5 超聲空化的應用 744
參考文獻 750