● 摘要
在功率超声应用技术领域中，如超声焊接、超声清洗、超声振动切削以及超声马达等，夹心式压电超声换能器是一类被广泛使用的功率型超声换能器。因此，其设计和制作也是功率超声的核心内容。夹心式结构压电超声换能器的优点是能够实现大功率输出和高的能量转换效率，并且可通过改变换能器盖板的尺寸来改变其谐振频率。传统的夹心式压电超声换能器主要有纵向、扭转和弯曲振动以及它们的复合振动模式夹心换能器，如纵—扭、纵—弯复合振动模式等。然而，随着超声技术的发展，功率超声应用范围不断扩大，需要设计各种振动模式的超声换能器，以适应不同应用场合的需要。 基于夹心式压电超声换能器的设计原理，本文创造性地提出了径向振动夹心式压电超声换能器的概念。建立了换能器的径向振动模等效电路，导出了其径向共振频率方程，并对换能器进行了有限元模态分析和实验研究。在此基础上，进一步提出和研究了一种斜槽式径—扭复合振动模式夹心式压电超声换能器，给出了其机电类比等效电路及共振频率方程。作为其应用实例，将之应用于超声马达实践，并试制出了径—扭模式转换型超声马达样机。 本文主要开展了以下几方面的研究： （1）在现有的理论基础上，对压电陶瓷薄圆盘和压电陶瓷薄圆环的基频及一次泛频径向振动模进行了进一步的理论和实验研究，并进行了有限元模态分析；讨论了压电圆环与相同尺寸压电圆盘的一次泛频之比随压电圆环内外半径比的变化关系。结果表明，当压电圆环内外半径之比趋于1时，压电圆环的第二阶（及以上）共振频率趋向无穷大。从而可以解释为什么压电薄壁圆环振子没有径向高次谐波的原因。这一结论也同样适用于非压电弹性圆环的高阶径向振动情形。 （2）建立了等厚度弹性薄圆环、锥形剖面及指数形剖面弹性薄圆环的平面径向和平面扭转振动的机电等效电路；从等效电路分别导出了它们的平面径向和扭转共振频率方程；给出了径向位移及角位移分布函数及放大系数的表达式；讨论了对于不同的泊松比，环形振子的径向和扭转共振频率方程的第一阶振动根随圆环内外半径比的变化关系，为环形振子的工程设计提供了参考依据。 （3）建立了厚度极化压电薄圆盘与金属环形盖板复合而成的径向振动夹心式压电超声换能器的径向模等效电路；讨论了换能器节圆位置的确定问题；给出了均匀厚度钢和铝盖板分别与PZT-4压电晶片径向复合换能器的前三阶径向共振 位移理论分布曲线；通过实验测定了径向振动夹心式压电超声换能器共振基频附近的等效电路参数及有效机电耦合系数Keff。结果表明，理论和实验符合较好。 （4）作为径向振动夹心式压电超声换能器的扩展，提出并研究了斜槽式径—扭模式转换压电超声换能器；建立了径—扭复合振动模式压电换能器的机电等效图并得出了其共振频率方程；探讨了斜槽的角度对换能器共振频率的影响，并通过实验进行了验证，理论与实验结果符合较好。同时，对径—扭复合模式振动及模式转换机理进行了有限元仿真分析。作为这种斜槽式径—扭复合振动模式压电超声换能器的具体应用，成功地试制出了径—扭模式转换型超声马达样机。 实验证明，本文研究的径向及径—扭复合振动模式夹心式压电超声换能器是对径向振动压电换能器的发展。采用夹心式结构设计的目的，一方面可提高径向振动压电陶瓷换能器的功率容量；另一方面可通过改变环形盖板的设计尺寸改变换能器的谐振频率，实现低频大功率输出，使之可用于功率超声，如超声马达等领域。因