题目：用于超声清洗的复合换能器振动特性及有限元研究

频率高于20 kHz的声波为超声波。超声波具有其独特的优点，比如：信息携带量比较大，穿透能力强，集束性好，而且在介质中传播会产生物理效应，化学效应，以及生物效应等。超声清洗利用超声波在介质中产生的这些效应（主要是利用超声波产生的空化效应），在需要清洗的工件上加上超声波来清洗。与传统的清洗方法相比较，超声清洗有下面优点：高速度，高质量；清洗范围广；节约成本，减少污染等。由于超声清洗的这些优点，该技术已经广泛的应用于化工，纺织，机械，电子等领域。用于超声清洗的设备，通常也叫做超声波清洗机。超声波清洗机由超声波发生器，清洗槽，超声换能器等三部分组成。传统的超声清洗设备中，夹心式压电陶瓷换能器直接向清洗液中辐射超声波。这样就存在辐射面积小，声匹配效果差，辐射声场不均匀等缺点。希望在一定程度上改善这些缺点，本文针对纵向振动换能器与弯曲圆盘组成的复合换能器作了研究。其中纵振动换能器不是直接向清洗液中辐射超声波，而是由它激发圆盘弯曲振动，弯曲振动的圆盘向清洗液中辐射超声波。弯曲振动圆盘的尺寸比较大，因而辐射面积比较大，增加了声匹配程度，以及声场清洗的均匀程度。
本文针对以下问题进行研究和探讨：
1. 在薄板理论的基础之上，利用分布参数系统和集中参数系统动能相等的原则，得到了弯曲振动圆盘的等效质量；利用分布参数系统和集中参数系统势能相等的原则，得到了弯曲振动圆盘的等效弹性系数。最后得到弯曲振动时圆盘的等效电路。
2. 压电陶瓷晶堆等效电路，后盖板等效电路，与弯曲振动圆盘等效电路串联在一起，组成了纵弯复合换能器的等效电路。利用抗部分等于零，得到其共振频率方程。设计了一个纵弯复合换能器，通过ANSYS有限元软件对这个换能器进行模态分析，在10000Hz到50000Hz频率之间，出现了多种振动模式，并画出对应的位移分布图。理论结果与实验结果进行对比，两者基本一致。对其进行谐响应分析，画出纵弯复合换能器的导纳曲线。分析弯曲圆盘的半径以及厚度对纵弯复合换能器谐振频率的影响。计算不同类型换能器的有效机电耦合系数。希望本文的结果对以后研究纵弯复合换能器的振动特性提供一定的参考价值。
3. 用于超声清洗的复合换能器，一般情况下认为后盖板为空载，而弯曲振动圆盘与液体介质接触，由圆盘向清洗液中辐射超声波。负载，压电陶瓷晶堆等效电路，后盖板等效电路，弯曲圆盘等效电路串联起来，组成了带有负载的复合换能器的等效电路图，利用抗部分等于零，得到其共振频率方程。有效机电耦合系数最大的复合换能器，射波能力最强，辐射面大，水中辐射能力最好。利用ANSYS有限元软件对这个换能器进行模态分析，在10000Hz到30000Hz，出现了多种振动模式，并画出对应的位移分布图。比较解析结果与数值结果之间的差异。与无负载的复合换能器作比较，共振频率以及振动幅度都有所降低。通过ANSYS有限元软件对这个换能器进行谐响应分析，画出带负载的纵弯复合换能器的导纳曲线，数值计算出了复合换能器辐射波束图。本文的研究结果，希望对以后研究带负载的换能器有一定的指导意义。