新型大功率壓電陶瓷超聲振動(dòng)系統(tǒng)的研究

本項(xiàng)目對(duì)目前功率超聲技術(shù)中急需的大功率壓電陶瓷超聲換能器系統(tǒng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容包括三方面。第一，對(duì)傳統(tǒng)的縱向夾心式壓電陶瓷換能器的多維耦合振動(dòng)進(jìn)行了研究，通過優(yōu)化換能器的幾何尺寸和振動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)換能器中縱向振動(dòng)模式和徑向振動(dòng)模式的相互強(qiáng)烈耦合，以達(dá)到換能器的大功率輸出。第二，提出了一種新型的徑向振動(dòng)夾心式壓電陶瓷大功率復(fù)合超聲換能器，利用解析法得出了此類換能器的機(jī)電等效電路，在此基礎(chǔ)上，得出了換能器的共振頻率設(shè)計(jì)方程。探討了徑向復(fù)合超聲換能器的幾何尺寸對(duì)其共振頻率、振動(dòng)模態(tài)、輻射功率以及有效機(jī)電耦合系數(shù)的影響；同時(shí)對(duì)此類換能器的負(fù)載能力及徑向振動(dòng)分布進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。第三，對(duì)縱彎模式轉(zhuǎn)換型彎曲振動(dòng)圓形及矩形超聲輻射器進(jìn)行了研究，探討了此類超聲輻射器的共振頻率、振動(dòng)模態(tài)、有效機(jī)電耦合系數(shù)及輻射功率與其幾何尺寸及負(fù)載特性之間的依賴關(guān)系，為研制大尺寸高功率超聲輻射器奠定了基礎(chǔ)。 本項(xiàng)目的研究對(duì)象相對(duì)于傳統(tǒng)的縱向振動(dòng)夾心式壓電陶瓷超聲換能器是一種新型的大功率超聲振動(dòng)系統(tǒng)。其研究成果相對(duì)于傳統(tǒng)的超聲換能器設(shè)計(jì)理論是一種改進(jìn)和創(chuàng)新，對(duì)于發(fā)展新型的大功率超聲換能器、改善現(xiàn)有超聲應(yīng)用技術(shù)的作用效果、開發(fā)新的超聲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本項(xiàng)目基本上按原定計(jì)劃進(jìn)行,并取得了預(yù)期的研究成果。除此以外，根據(jù)國內(nèi)外在該研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r及本項(xiàng)目組的實(shí)際情況，在相關(guān)的研究方向上適當(dāng)增加了一些研究內(nèi)容，如空化液體介質(zhì)中的聲傳播等研究內(nèi)容。 截止目前為止，本項(xiàng)目共發(fā)表學(xué)術(shù)論文23篇，其中SCI源期刊論文12篇，EI收錄期刊論文11篇；申請并獲得授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。 本項(xiàng)目所研究的新型大功率換能器可作為水聲以及超聲技術(shù)中的大功率發(fā)射器，在聲納技術(shù)、超聲化學(xué)、超聲提取等超聲液體處理技術(shù)中獲得應(yīng)用。

本項(xiàng)目對(duì)目前功率超聲技術(shù)中急需的大功率壓電陶瓷超聲換能器系統(tǒng)進(jìn)行研究。第一，對(duì)傳統(tǒng)的縱向夾心式壓電陶瓷換能器的多維耦合振動(dòng)進(jìn)行研究，通過優(yōu)化換能器的幾何尺寸和振動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)換能器中縱向振動(dòng)模式和徑向振動(dòng)模式的相互強(qiáng)烈耦合，以達(dá)到換能器的大功率輸出。第二，提出一種新型的徑向振動(dòng)夾心式壓電陶瓷大功率復(fù)合超聲換能器，從理論上探討此類換能器的機(jī)電等效電路，在此基礎(chǔ)上，得出換能器的共振頻率設(shè)計(jì)方程。探討徑向復(fù)合超聲換能器的幾何尺寸及徑向預(yù)應(yīng)力對(duì)其共振頻率、振動(dòng)模態(tài)、輻射功率以及有效機(jī)電耦合系數(shù)的影響；同時(shí)對(duì)此類換能器的負(fù)載能力及徑向振動(dòng)分布進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計(jì)。第三，對(duì)縱彎模式轉(zhuǎn)換型彎曲振動(dòng)圓形及矩形超聲輻射器進(jìn)行研究，探討此類超聲輻射器的共振頻率、振動(dòng)模態(tài)、有效機(jī)電耦合系數(shù)及輻射功率與其幾何尺寸及負(fù)載特性之間的依賴關(guān)系，為研制大尺寸高功率超聲輻射器奠定基礎(chǔ)。

對(duì)大功率模式轉(zhuǎn)換型縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，推出其機(jī)電等效電路，探討模式轉(zhuǎn)換余槽的幾何尺寸和形狀對(duì)系統(tǒng)共振頻率、振動(dòng)模式及阻抗等特性的影響，分析縱向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)之間的耦合關(guān)系，并對(duì)復(fù)合振動(dòng)系統(tǒng)的頻率特性、阻抗特性及負(fù)栽特性等進(jìn)行研究，為超聲馬達(dá)及超聲加工等技術(shù)中高效大功率縱扭復(fù)合超聲振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

在鉆探領(lǐng)域，硬巖鉆進(jìn)存在鉆進(jìn)效率低、鉆頭壽命短、鉆井成本高等問題。超聲波振動(dòng)作用可使巖石內(nèi)部快速產(chǎn)生損傷或裂紋，巖石強(qiáng)度大幅度下降，從而降低破碎難度，提高巖石破碎效率。通過采用數(shù)值模擬方法，對(duì)超聲波振動(dòng)破碎硬巖過程進(jìn)行模擬分析，從理論上探索超聲波振動(dòng)下巖石裂紋的形成與擴(kuò)展規(guī)律，運(yùn)用試驗(yàn)研究手段，探究靜壓力、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)力、振動(dòng)頻率等超聲波振動(dòng)參數(shù)對(duì)巖石破碎效果的影響，獲取各參數(shù)的最優(yōu)取值區(qū)間。經(jīng)研究，成功研制了超聲波振動(dòng)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，通過理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，以巖石的細(xì)觀損傷力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合疲勞破碎理論、共振碎巖理論，分析巖石在超聲波振動(dòng)下的受力過程、力與巖石裂紋形成的關(guān)系，建立了超聲波振動(dòng)過程及花崗巖裂紋變化特性的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)巖石脅迫響應(yīng)的振幅與施加載荷的幅值成比例并得出公式。運(yùn)用有限元軟件、離散元軟件對(duì)超聲波振動(dòng)巖石內(nèi)部裂紋的動(dòng)態(tài)演化過程進(jìn)行建模計(jì)算得出了演化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)拉伸破壞是裂紋失效的主要機(jī)制，擴(kuò)展多沿與載荷加方向平行方向，且沿與加載方向成60°方向?；诤舜殴舱駲z測、熱紅外成像、滲透探傷法和數(shù)字圖片處理技術(shù)等檢測技術(shù)開展超聲波振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，獲取了超聲波振動(dòng)碎巖的裂紋衍生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖樣內(nèi)的孔隙隨超聲波振動(dòng)次數(shù)的變化呈現(xiàn)出彈性形變、起裂擴(kuò)展、貫通破壞三個(gè)階段，探究了振動(dòng)碎巖參數(shù)對(duì)碎巖效果影響，發(fā)現(xiàn)振幅、靜壓力、時(shí)間均存在閾值，選取高于閾值的振動(dòng)參數(shù)及接近固有頻率的振動(dòng)頻率，能夠獲得最優(yōu)的超聲波振動(dòng)碎巖效果。通過研究獲取了巖石在超聲波振動(dòng)下的強(qiáng)度下降的規(guī)律、巖石損傷規(guī)律、最優(yōu)碎巖振動(dòng)參數(shù)，補(bǔ)充了領(lǐng)域空白，為超聲波振動(dòng)技術(shù)在工程實(shí)踐中解決硬巖鉆進(jìn)難題提供理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)，具有較大的實(shí)際意義與應(yīng)用價(jià)值。 2100433B