大功率模式转换型纵扭复合超声振动系统的研究

对大功率模式转换型纵扭复合超声振动系统进行研究，推出其机电等效电路，探讨模式转换余槽的几何尺寸和形状对系统共振频率、振动模式及阻抗等特性的影响，分析纵向振动与扭转振动之间的耦合关系，并对复合振动系统的频率特性、阻抗特性及负栽特性等进行研究，为超声马达及超声加工等技术中高效大功率纵扭复合超声振动系统的设计提供理论基础。

本项目对目前功率超声技术中急需的大功率压电陶瓷超声换能器系统进行了较为系统的研究。主要研究内容包括三方面。第一，对传统的纵向夹心式压电陶瓷换能器的多维耦合振动进行了研究，通过优化换能器的几何尺寸和振动模式，实现换能器中纵向振动模式和径向振动模式的相互强烈耦合，以达到换能器的大功率输出。第二，提出了一种新型的径向振动夹心式压电陶瓷大功率复合超声换能器，利用解析法得出了此类换能器的机电等效电路，在此基础上，得出了换能器的共振频率设计方程。探讨了径向复合超声换能器的几何尺寸对其共振频率、振动模态、辐射功率以及有效机电耦合系数的影响；同时对此类换能器的负载能力及径向振动分布进行研究，并对其进行了优化设计。第三，对纵弯模式转换型弯曲振动圆形及矩形超声辐射器进行了研究，探讨了此类超声辐射器的共振频率、振动模态、有效机电耦合系数及辐射功率与其几何尺寸及负载特性之间的依赖关系，为研制大尺寸高功率超声辐射器奠定了基础。 本项目的研究对象相对于传统的纵向振动夹心式压电陶瓷超声换能器是一种新型的大功率超声振动系统。其研究成果相对于传统的超声换能器设计理论是一种改进和创新，对于发展新型的大功率超声换能器、改善现有超声应用技术的作用效果、开发新的超声技术应用领域具有理论指导意义和实际应用价值。 本项目基本上按原定计划进行,并取得了预期的研究成果。除此以外，根据国内外在该研究领域的发展状况及本项目组的实际情况，在相关的研究方向上适当增加了一些研究内容，如空化液体介质中的声传播等研究内容。 截止目前为止，本项目共发表学术论文23篇，其中SCI源期刊论文12篇，EI收录期刊论文11篇；申请并获得授权发明专利2项。 本项目所研究的新型大功率换能器可作为水声以及超声技术中的大功率发射器，在声纳技术、超声化学、超声提取等超声液体处理技术中获得应用。

本项目对目前功率超声技术中急需的大功率压电陶瓷超声换能器系统进行研究。第一，对传统的纵向夹心式压电陶瓷换能器的多维耦合振动进行研究，通过优化换能器的几何尺寸和振动模式，实现换能器中纵向振动模式和径向振动模式的相互强烈耦合，以达到换能器的大功率输出。第二，提出一种新型的径向振动夹心式压电陶瓷大功率复合超声换能器，从理论上探讨此类换能器的机电等效电路，在此基础上，得出换能器的共振频率设计方程。探讨径向复合超声换能器的几何尺寸及径向预应力对其共振频率、振动模态、辐射功率以及有效机电耦合系数的影响；同时对此类换能器的负载能力及径向振动分布进行研究，以实现其优化设计。第三，对纵弯模式转换型弯曲振动圆形及矩形超声辐射器进行研究，探讨此类超声辐射器的共振频率、振动模态、有效机电耦合系数及辐射功率与其几何尺寸及负载特性之间的依赖关系，为研制大尺寸高功率超声辐射器奠定基础。

旋转机械振动的分析与控制是保障其安全、可靠、长期高效运行的主要技术手段。本项目在振动信号经验模式分解的基础上，研究经验模式分解的端点效应抑制方法和基于白噪声统计特性的信号虚假固有模式函数的去除方法；建立典型工况下的机械系统振动理论模型，分析单自由度和多自由度机械系统的振动模式及其响应特性，研究机械振动模式与经验模式分解的固有模式函数之间的对应关系；从机械系统振动特性的角度，研究旋转机械振动信号经验模式分解方法的固有模式函数的物理意义，提出一种基于经验模式分解的机械系统振动模式分析方法；建立简支梁和旋转机械模拟振动实验平台，通过仿真与实验，验证基于经验模式分解的机械系统振动模式分析方法的有效性，为旋转机械振动分析与控制、机械故障诊断、机械产品的动态优化设计提供新的理论方法。