新型大功率压电陶瓷超声振动系统的研究

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。

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。

在钻探领域，硬岩钻进存在钻进效率低、钻头寿命短、钻井成本高等问题。超声波振动作用可使岩石内部快速产生损伤或裂纹，岩石强度大幅度下降，从而降低破碎难度，提高岩石破碎效率。通过采用数值模拟方法，对超声波振动破碎硬岩过程进行模拟分析，从理论上探索超声波振动下岩石裂纹的形成与扩展规律，运用试验研究手段，探究静压力、振动时间、振动力、振动频率等超声波振动参数对岩石破碎效果的影响，获取各参数的最优取值区间。经研究，成功研制了超声波振动钻进实验装置，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法，以岩石的细观损伤力学为基础，结合疲劳破碎理论、共振碎岩理论，分析岩石在超声波振动下的受力过程、力与岩石裂纹形成的关系，建立了超声波振动过程及花岗岩裂纹变化特性的数学模型数学模型，发现岩石胁迫响应的振幅与施加载荷的幅值成比例并得出公式。运用有限元软件、离散元软件对超声波振动岩石内部裂纹的动态演化过程进行建模计算得出了演化机理，发现拉伸破坏是裂纹失效的主要机制，扩展多沿与载荷加方向平行方向，且沿与加载方向成60°方向。基于核磁共振检测、热红外成像、渗透探伤法和数字图片处理技术等检测技术开展超声波振动实验，获取了超声波振动碎岩的裂纹衍生规律，发现岩样内的孔隙随超声波振动次数的变化呈现出弹性形变、起裂扩展、贯通破坏三个阶段，探究了振动碎岩参数对碎岩效果影响，发现振幅、静压力、时间均存在阈值，选取高于阈值的振动参数及接近固有频率的振动频率，能够获得最优的超声波振动碎岩效果。通过研究获取了岩石在超声波振动下的强度下降的规律、岩石损伤规律、最优碎岩振动参数，补充了领域空白，为超声波振动技术在工程实践中解决硬岩钻进难题提供理论支撑和技术指导，具有较大的实际意义与应用价值。 2100433B