题目：矩形扭转换能器的研制

　　随着生产的发展，对超声波技术的需求日益增加，超声焊接、超声打孔、超声马达等的研究，带来了对扭转振动系统或其复合系统的需求。以前，人们的注意力主要集中于对预应力螺杆复合棒压电纵振动换能器的研究、开发和应用，并且建立了比较成熟的纵振动换能器理论。而扭转振动换能器，由于受到极化工艺水平的限制，制作起来比较困难，因而应用还相当少，理论上的分析研究更少。本文作者考虑到极化工艺上的困难，利用方形压电晶片，成功地研制了一种方形截面压电陶瓷扭转振动换能器。 主要内容与结论如下： 1、本文从压电理论和弹性振动理论等基本理论出发，利用一维简化理论推导了方形截面压电扭转振动换能器的力、电传输方程： ψT1=ψZoc[（ūΘ2-ūΘ1）/（jsinkth）+ūΘ1/(jctgkth/2)]+Ц ψT2=ψZoc[（ūΘ2-ūΘ1）/（jsinkth）-ūΘ2/(jctgkth/2)]+Ц I =GфJ[-(ūΘ2-ūΘ1）]+jωC0V 上面诸式中ψ为扭矩系数，T1、T2为传播力矩，Zoc为声阻抗，ūΘ1、ūΘ2为角速度，GфJ为机、电转化比，C0为静态电容，V为激励电压，Ц为电端转换到机械端电压，kt为波数，ω为圆频率，h为压电晶片厚度。 然后，通过力、电类比法求出了压电扭转换能器的等效电路。 2、考虑到压电晶片形状对波速的影响以及扭转波在压电晶堆中的传播，对压电扭转振动换能器的扭振波速进行了修正，修正后的波速公式： Vt=[χ(1-K215)CD44/ρ]1/2 上式中χ为形状因子，由压电晶片的形状和线度决定，K215相当于机电耦合系数，CD44为压电常数，ρ为压电晶片密度。 实验表明，利用修正后的波速设计的扭转振动换能器的频率参数与实测值较好的吻合。 3、利用扭转振动换能器的机电等效电路图，推导出了长螺栓夹心式方形截面压电扭转振动换能器的机械共振频率方程： Z01 Z 02 Z 04tgk1 l1ctgk2l2 tgk 4l4+ Z2 02 Z 04tgk4 l4+ Z01Z2 03 tgk1l1+ Z01 Z 03 Z 04tgk1 l1tgk4l4ctgk 3l3- Z01 Z 02 Z 03tgk1 l1ctgk2l2ctgk 3l3- Z2 02 Z 03ctgk3l3-Z 02 Z2 03ctgk2l2-Z02 Z 03Z 04ctgk2l2ctgk3l3tgk 4l4=0 上式Z0i（i=1,2,3,4）为对应换能器各段的声阻抗，kili(i=1,2,3,4)为对应换能器各段的相角。 当计及预应力螺杆的影响时，上述频率方程被修改为下列形式： Z0 11 Z0 22 -Z0 12 Z0 21=0 式中 Z0 ij （i,j=1，2）为由换能器各段对应声阻抗表示的代数式。 若考虑厚电极对扭转换能器频率参数的影响，则扭振换能器的频率方程被修改为： Zω1 Zω3/（Zω1+ Zω3）+ Zω2=0 上式中Zωi（i=1，2,3）为由换能器各段对应声阻抗表示的代数式。 利用上面诸频率方程，作者通过实验分别讨论了它们在实用设计时的适应范围，分析了各类误差产生的原因。 4、讨论了方形截面与圆形截面盖板压电扭转振动换能器的特点，分析了提高扭转振动换能器功率容量的多种设计方案。从实验研究中发现，增大换能器横截面内夹接晶片数n来提高功率容量效果较好。 5、在功率超声中，换能器的电声效率、等效参数、发射功率等参数对其实际应用是相当重要的。考虑到扭转振动的特点，设计了一种对称式扭转振动换能器结构，用于参数测量。凭借微机系统，对换能器的上述参数进行了实际测试。 6、作为扭转振动换能器的实际应用，附带研制了一种纵——扭复合换能器超声马达。并对其主要参数进行了测量（见附录）。 以上研究为扭转振动换能器的实用设计提供了一种新的思路和方法，为这种换能器的工程设计提供了理论依据。