《大功率超声复合换能器的研究》张小丽著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《大功率超声复合换能器的研究》

【作　者】张小丽著

【页 数】 187

【出版社】 天津：天津大学出版社 , 2022.05

【ISBN号】978-7-5618-7162-1

【价 格】40.00

【分 类】超声换能器-研究

【参考文献】 张小丽著. 大功率超声复合换能器的研究. 天津：天津大学出版社, 2022.05.

图书封面：

图书目录：

《大功率超声复合换能器的研究》内容提要：

本书对大辐射面积、大功率的纵弯及纵径振动模式的复合压电超声换能器进行了研究，希望能在一些领域获得应用。本书共八章，第一章主要讲述了功率超声换能器的历史及研究现状，第二章主要阐述了纵向及厚度振动夹心式压电超声换能器的设计理论，第三章详细介绍了薄圆盘弯曲振动的三种情况，第四章详细介绍了环状弹性柱体三维耦合振动，第五章详细研究了纵弯模式转换压电超声换能器，第六章详细研究了纵径耦合振动模式柱状压电超声换能器的振动性能及声场特性，第七章详细研究了大尺寸圆柱体辐射器，第八章研究了复频超声换能器系统的振动性能及声场特性

《大功率超声复合换能器的研究》内容试读

第一章绪论

第一节功率超声技术的发展现状

声学是一门古老但又年轻的科学，随着科技的发展，声学已经渗透到许多自然科学领域，并推动了一些边缘学科的产生和发展。经典声学主要与乐器的振动有关，从而使许科学家对物体的振动进行了大量研究，这样不仅为超声换能器的研究提供了理论基础，也为近代声学的发展提供了极其重要的手段。19世纪后期，经典声学发展达到顶峰，此时正是电子学及电声换能器的应用时期，从而促使了近代声学许多分支的出现及迅速发展。

超声学出现在20世纪初期，它是以经典的声学理论为基础，结合物理、电子、计算机、雷达、材料、生物及数字信号处理等学科发展起来的一门综合性学科，是声学中最为活跃的一个分支，主要研究在不同介质中超声波的产生、传播、接收、有关效应及信息处理等相关问题。超声物理和超声工程是超声学的两个主要方面。超声物理是超声工程的基础，它为各种各样的超声工程应用技术提供了必需的理论及试验依据。超声工程的研究内容主要包括各种超声应用技术中超声波产生、传输和接收系统的工程设计及工艺研究。功率超声技术是利用大功率超声波能量对物质的作用，改变或加速物质的一些物理、生物和化学特性或状态，其除在传统的工农业技术中应用外，在国防、航天、医学及生物等高技术领域也有较快的发展)。

随着汽车、航空航天、工程机械等行业的高速发展，对高硬度零件的需求量日益增长，由此也促进了陶瓷、复合材料、硅、石英、铁氧体、宝石、玻璃和硬质合金等材料的应用。由于这些材料均具有高硬度、易脆性，且零件形状复杂，使用传统的加工方式加工相当困难，而电火花和电化学加工却只能加工金属导电材料，不易加工不导电的非金属材料。然而超声加工不仅能加工脆硬的金属材料，而且更适合于加工玻璃、陶瓷、半导体等不导电的非金属脆硬材料。

超声加工是利用超声振动工具，在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此引发的气蚀作用来去除材料，或对工具或工件沿一定方向施加超

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大功率超声复合换能器的研究

声振动进行加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工具有很强的工艺优势，其切削力小，切削热少，工件表面质量高、精度高，切屑易处理，刀具耐用度高，加工稳定，生产率高，能很好地解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件加工问题，作为新兴的特种加工技术受到了国内外专家和学者的广泛关注，得到了业界的公认，是机械加工行业的一个重要发展方向之一。

近年来，超声加工在超声加工装置、微细超声加工、拉丝模具及型腔模具抛光、超声振动切削、难加工材料加工、超声复合加工、旋转超声加工等领域有着较广泛的应用研究，解决了许多关键性的问题，取得了良好的效果。

当前时期，随着超声波技术在更多领域中获得广泛的使用，超声波技术的发展态势更加趋于火热，研究者们对于超声波技术的研究已经成为一种时代的潮流。具体来讲，超声波就是指声波的频率范围处于20kHz~10MHz这一波段，超声波技术主要就是应用超声的这种特性而得以发展的，在现实中很多行业的工作都可以通过超声波的应用完成。从超声波的分类方面来讲，它主要包括检测超声以及功率超声两个部分。就检测超声中对于超

声波的应用而言，人们一般是将其作为信号来开展使用的，比如雷达、水声以及B超等。

而功率超声则是指大功率的超声，人们在使用它进行工作的时候，主要就是利用其声能、机械作用、热作用、化学作用、空化作用以及生物医学作用等，比如超声化学、超声清洗、超声焊接及超声加工和超声悬浮等。而化学行业对于超声波的应用，则主要倾向于使用超声波中功率超声的空化作用。化工领域对于超声波技术中的超声空化作用的应用，主要是通过以下机理来实现的，即超声空化在作用于液体时，会使其内部的空化核产生诸如振动、压缩、膨胀以及崩溃和闭合等变动，而液体空化核中的气泡崩溃时，在空化核周围会形成温度约5000℃以及压力达5×107Pa的一个区域，再加上强烈的冲击波以及超过100/s速度的微射流对此区域产生高梯度的剪切作用，就会将水溶液中的羟基自由基分化出来。在这个变化过程中，机械效应、光效应、热效应及活化效应这四种物理化学反应会呈现出来，通过四种反应相互作用以及相互推动，液体的变化进程会被加速，超声波技术的影响也最终完成。总之，超声波技术以其自身所具有的传热以及化学反应等诸多方面的独特作用，应用于超声设备的开发，可对各种行业的工作提供便利，在国家的各项事业尤其是化工工作中得到了极大的重视。

然而，在实际应用中，功率超声技术的发展并不平衡。超声塑焊和超声清洗是功率超声技术应用的主体，其规模越来越大，而超声加工、超声熔焊、超声乳化及超声悬浮等应用只是小规模地被一些商业应用。同时，过去十多年，在环保、节能、技术可持续发展的基础上，功率超声技术一些新的应用领域也已慢慢出现，尤其对食品加工、环境保护、化工、医药及制造等行业已经成为一门清洁、高效的新技术仰。

第一章绪论

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随着超声技术的深人发展及其应用范围的不断拓展，功率超声的发展趋势主要有以下几个方面。

一、超声在加工行业的应用5刷

早在1927年，美国物理学家卢米斯和伍德就已经做了超声加工试验，利用强烈的超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔，然而当时此项技术并未发展起来，因此也没应用在工业上。1951年，美国的科恩制成了第一台实用的超声加工机，此后超声技术逐渐获得应用。20世纪70年代中期，超声技术开始用于中心钻孔、磨削、焊接、光整加工及拉管等。

20世纪50年代中期，苏联、日本将超声加工、电加工（如电解加工和电火花加工等)与切削加工结合起来，出现了复合加工。这种复合加工的方法能改善电加工或金属切削加工的条件，使加工质量和效率得以提高。1964年，英国又提出了使用电镀或烧结金刚石工具的超声旋转加工方法，克服了通常超声加工深孔时，加工精度低和速度慢的缺点。

东南大学研制了一种新型超声振动切削系统。该系统采用压电换能器，由超声波发生器、匹配电路、级联压电晶体、谐振刀杆、支承调节机构及刀具等部分组成。当超声波发生器输出超声电压时，将使级联压电晶体产生超声机械伸缩，直接驱动谐振刀杆实现超声振动。该装置的特点是能量传递环节少，能量泄漏小，机电转换效率高达90%左右，而且结构简单、体积小、便于操作。

沈阳航空工业学院建立了镗孔用超声扭转振动系统。该系统采用磁致伸缩换能器，将超声波发生器在扭转变幅杆的切向做纵向振动时，扭振变幅杆的小端输出沿圆周方向做扭

转振动，镗刀与扭振变幅杆之间采用莫氏锥及螺纹连接，输出功率小于500W,频率为

1623kHz,并具有频率自动跟踪性能。

西北工业大学设计了一种可以在内圆磨床上加工硬脆材料的超声振动磨削装置。该装置由超声振动系统、冷却循环系统、磨床连接系统和超声波发生器等组成，其超声换能器采用纵向复合式换能器结构，冷却循环系统中使用磨削液作为冷却液，磨床连接系统由辅助支承、制动机构和内圆磨床连接杆等组成。该磨削装置工具头旋转精度由内圆磨床主轴精度保证，其结构比专用超声波磨床的主轴系统简单得多，因此成本低廉，适合于在生产中应用

另一种超声扭转振动系统已在“加工中心”用超声扭转振动装置上应用。其主要用作电火花加工后的模具异形（如三角形、多边形）孔和槽底部尖角的研磨、抛光，以及非导

大功率超声复合换能器的研究

电材料异形孔加工。该振动系统的换能器由按圆周方向极化的8块扇形压电陶瓷片构成，以产生扭转振动。

目前，超声加工主要用于各种硬脆材料，如石英、玻璃、陶瓷、硅、锗、铁氧体、玉器和宝石等的打孔（包括圆孔、弯曲孔和异形孔等）、开槽、切割、套料、成批小型零件去毛刺、雕刻、模具表面抛光和砂轮修整等。

多年来，超声加工的发展比较迅速，其工艺技术在含有深且小的孔材料及难加工材料方面解决了许多关键性的问题，取得了良好的效果，获得了比较广泛的应用

超声加工装置一般由电源（即超声波发生器入、超声振动系统（即超声换能器和变幅杆)和机床本体三部分组成，如图1-1所示。超声波发生器将交流电转换为超声频电功率输出，功率由数瓦至数千瓦，最大可达10kW。通常使用的超声换能器有磁致伸缩的和电致伸缩的两类。磁致伸缩换能器又有金属的和铁氧体的两种，金属换能器通常用于千瓦以上的大功率超声加工机；铁氧体换能器通常用于千瓦以下的小功率超声加工机。电致伸缩换能器用压电陶瓷制成，主要用于小功率超声加工机。变幅杆具有放大振幅和聚能的作用，按截面面积变化规律分为锥形、余弦线形、指数曲线形、悬链线形、阶梯形等。机床本体一般有立式和卧式两种类型，超声振动系统则相应地垂直放置和水平放置。

电力发电机

换能器

机械放大器

模具

工具

泵

工件

浆槽

图1-1超声加工装置示意图间

一种新技术的发展和完善，需要有坚实的理论支撑，超声加工技术在大批学者的努力下不断创新，出现了许多有工业价值的理论，能够降低加工消耗且提高加工精度，提高加工效率和效果，增加加工稳定性。随着难加工材料精度要求的不断提高，尤其是航天航空

第一章绪论

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零件，一维超声振动理论已不能满足需要，二维超声振动加工技术（超声波椭圆振动切削)随之出现，并已受到学术界及企业界的重视，美国、英国、德国及我国上海交通大学和北京航空航天大学已对其做了一些研究。超声复合加工技术、精密超精细加工技术和微细超声加工技术也在不同的应用领域应运而生。

超声加工技术发展所取得的成果日渐突出。一方面，超声加工技术在加工装置和应用领域取得的巨大成果，推动了其应用领域的拓展；另一方面，其应用领域的新发展又要求加工装置不断更新。随着超声加工及其复合加工技术研究的不断深入，其工艺必将日趋完善，应用也必将更为广泛。

二、超声在医学行业的应用[10-131

医学超声检查（超声检查、超声诊断学）是一种基于超声波（超声）的医学影像学诊断技术，使肌肉和内脏器官—包括其大小、结构和病理学病灶一可视化。产科超声检查在妊娠时的产前诊断中广泛使用。超声频率的选择是对影像的空间分辨率和患者的探查深度的折中。典型的超声诊断扫描操作采用的频率范围为2~13MHz。虽然物理学上使用的名词“超声”指所有频率在人耳听阈上限(20000Hz)以上的声波，但在医学影像学中通常指频带比其高上百倍的声波。

John J.wild是一名英格兰裔美国内科医师，1949年因致力于超声波在医学中的应用被称为“医学超声之父”。随后，超声检查在医疗实践中开始发挥重要的作用，使医生在诊断、治疗疾病方面的速度及准确度有了很大的提高。

超声波是频率在20kHz以上的声波，在传播过程中会发生反射、折射、散射、衍射及多普勒效应等现象，且在介质中传播的声能会衰减。如果将一束超声波发射到人体内，因人体各组织的结构形态不同，其反射、折射及吸收的程度也不相同，因此通过超声仪器所反映的影像特征，再结合医学知识，医生便可诊断所检查器官是否病变。利用医学超声检查，可以探查与提取人体的生理和诊断信息，同时具有安全、无痛、直观、灵活及廉价等一系列优点，是当代医学图像诊断的重要技术之一。

1942年，超声技术开始应用于医学领域，目前已逐渐成为诊断领域非侵入性检查的

主要方法之一。根据不同的成像原理，其诊断方法可分为A型、B型、M型和D型四大

类。A型是用波形来显示组织的特征，主要用于器官径线的测量，以判定其大小，可用来

鉴别病变组织的物理特性；B型是用平面图形来显示组织的具体情况，广泛用于妇产科、

泌尿科、消化科及心血管科；M型用于观察活动界面时间变化，最适用于心脏活动的检

查；D型又称多普勒超声诊断法，是专门用来检测血液流动和器官活动的一种方法。为了

大功率超声复合换能器的研究

获得更直观的立体图像，当前超声诊断正向三维方向发展，这在胸腹部肿瘤检测、心肌损伤定位及怀孕期评估等方面有重要的价值41。

超声治疗作为非侵人性治疗的一种新技术，不需要手术开刀或破坏表面组织就能对病变组织进行治疗。其结合超声波的各种作用（机械作用促进循环、温热作用加快组织软化及化学作用增加细胞新陈代谢等)使组织受到细微的按摩，促使分层处组织温度升高、细胞受到刺激、血液循环加速、多种蛋白分子及酶的功能受到影响及生物活性物质所占含量改变等，对人体产生作用，从而产生理想的治疗效果。

高强度聚焦超声(High-intensity Focused Ultrasound,HIFU)是一种非侵入性体外技

术，能够选择性地破坏体内的深层组织。20世纪40年代中期，HFU技术开始应用于一

些手术中，但仅限于神经内科和神经外科。直到20世纪80年代，随着热疗技术的进一步发展，对软组织肿瘤消融时，才考虑使用这种技术。20世纪90年代以后，进行了更多的

动物试验和临床试验，结果表明，HFU能够选择性地在肿瘤组织和实质器官中产生靶病

变，如肝脏、肾脏、膀胱、大脑和前列腺等1。文献[19]提出了一种新型设备一双

频HFU设备，试验表明，在相同工作条件下，双频HFU设备比常规的HFU设备能够

更好地去除较大的病变组织。

近些年来，随着计算机、信号处理及图像处理与信息传输等重要技术的进一步发展及科研人员的不断深入研究，相信超声技术在医学中的应用将会越来越频繁，能够为患者带来更多的福音。

三、超声在化工行业的应用20-21]

当一定能量的超声波在媒质中传播时，由于超声波与媒质之间的相互作用，使媒质发生一定的物理和化学变化，从而产生一系列的力学、光学、化学及热学等效应，归纳起来主要包括四种作用：机械作用，可以促成液体的乳化、固体的分散及液胶的乳化；空化作用，能够产生湍动效应、聚能效应、界面效应和微扰效应；热作用，可以引起媒质的整体加热、边界加热或局部加热；化学作用，使发生或加速某些物质的化学反应。

化工领域应用的主要是超声技术中的超声空化作用，其机理是超声作用于液体时，使其内部空化核产生一系列变动，如振动、压缩、膨胀及崩溃和闭合等，而空化核中的气泡

崩溃会在周围形成一个约5×107P高压的区域，再加上强烈的冲击波及高速的微射流对

此区域产生高梯度的剪切作用，从而使液体中的羟基自由基分化出来，在此变化过程中，机械效应、热效应、光效应及活化效应等物理化学反应会呈现出来，并互相作用及推动，液体的变化就会被加速，进而显现使用超声技术的优势。

···试读结束···