【導讀】納米汽霧聚焦超聲冷卻系統(tǒng)由納米超聲霧化器和聚焦超聲系統(tǒng)兩部分組成。考慮到材料的強度等因素，超聲霧化器變幅桿長度不能過長，直徑不能過小。因此，設計時要求聚焦超聲系統(tǒng)總長小于80mm。聚焦超聲換能器的材料以40Cr為例，超聲頻率為50KHz時，其1/2波長長度為46mm。為便于調節(jié)超聲霧化器和聚焦超聲系統(tǒng)之間的距離，中間需至少有10mm的間距。同樣，壓電陶瓷片的內徑至少12mm，根據市場上陶瓷片的規(guī)格，選取陶瓷片的尺寸為外圓直徑35mm，內孔直徑15mm，厚度為5mm。而使用有限元分析可以有效的解決這一問題。因此，本文聚焦超聲換能器的設計采用一維設計理論作為指導，使用有限元分析進行修正的方法設計。聚焦超聲換能器是聚焦超聲系統(tǒng)的動力源，為聚焦超聲球殼提供超聲信號。

　　

【正文】 阻抗特性分析，儀器連接如圖437所示。 圖437 聚焦超聲系統(tǒng)阻抗特性試驗為避免其他物體接觸聚焦超聲系統(tǒng)振幅加大位置影響阻抗特性測試結果，聚焦超聲系統(tǒng)的聚焦球殼應懸空，將聚焦超聲系統(tǒng)水平放置于實驗臺。測試頻率范圍先設置為40KHz～60KHz找到諧振頻率，然后縮小頻率范圍進行精確測定。將測試頻率范圍設置為48KHz～51KHz進行精確測試。超聲霧化器的阻抗特性曲線如圖438所示， 圖438 聚焦超聲系統(tǒng)阻抗特性曲線聚焦超聲系統(tǒng)的諧振頻率、反諧振頻率、靜電容、動態(tài)電抗R動態(tài)電容C動態(tài)電感L自由電容CT、半功率點與、最大導納、自由介電常數、機械品質因素Qm和機電耦合系數Keff等性能參數如表45所示。表45 聚焦超聲系統(tǒng)阻抗特性參數諧振頻率反諧振頻率靜態(tài)電容動態(tài)電容C1動態(tài)電阻R1動態(tài)電感L1自由電容CT半功率點半功率點自由介電常數機械品質因素Qm有效機電耦合系數Keff平面機電耦合系數Kp導納相位772對數特性圖中的導納圓為一較好的圓，對數坐標圖中只有一對極小值和極大值，動態(tài)電阻R1為24Ω，機械品質因數Qm為772，說明聚焦超聲換能器裝配較好，研制的聚焦超聲系統(tǒng)阻抗特性能滿足設計要求。同時，這些測得的阻抗特性數據為聚焦換能器的電路阻抗匹配提供了重要依據。2. 聚焦超聲系統(tǒng)振動特性研究聚焦超聲系統(tǒng)的振動特性主要包括聚焦球殼的輸出振幅、彎曲振型等。聚焦球殼的輸出振幅決定了聲場的輻射強度，輸出振幅越大，意味著聚焦超聲系統(tǒng)輻射聲場強度愈大，超聲的聲動力效應就會愈明顯。而聚焦球殼的彎曲振型則決定了聚焦球殼的形狀。設計球殼為二階彎曲振型，有一個節(jié)圓。聚焦球殼的實際彎曲振型與設計是否一致，決定了球殼中間加厚層能否起到改變聚焦球殼內表面節(jié)圓一側振動相位，使其在聲場中與另一側同相位疊加，增強聲場強度。因此，對聚焦超聲系統(tǒng)進行振動特性實驗研究顯得十分必要。聚焦超聲系統(tǒng)振動特性實驗由信號發(fā)生器和功率放大器提供超聲頻電信號，使用MTI2100光纖測振儀測定聚焦超聲系統(tǒng)振動特性。實驗測試裝置如圖439所示。 圖439 聚焦超聲系統(tǒng)振動特性測定實驗裝置聚焦超聲系統(tǒng)振動特性實驗測試點分布如圖440所示。為了使測得點能真實地反映聚焦球殼內表面的振型，將球殼內表面分4共4個方向，每個方向從外向里依次為1～11點，其中9～11點在加厚球殼上，1～，9～，共44個測試點。功率放大器采用恒壓模式，電壓為120V，調節(jié)信號發(fā)生器輸出頻率，電流達到最大值時，聚焦超聲系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)，諧振頻率為 。對聚焦超聲系統(tǒng)球殼內表面實驗測試點進行振幅測量，振幅曲線如圖441所示。 圖440 聚焦超聲系統(tǒng)振動特性實驗測點分布 圖441 球殼內表面振幅分布曲線圖441表明，一，在四個方向上，聚焦超聲系統(tǒng)球殼內表面的振幅分布規(guī)律一致，聚焦球殼的振型為二階彎曲振型；二，聚焦球殼的節(jié)點均為8點，即在加厚球殼的邊界處。聚焦超聲系統(tǒng)的振型及節(jié)圓等參數實驗結果與理論設計相符合，滿足設計要求。 聚焦超聲系統(tǒng)聲場實驗研究聚焦超聲系統(tǒng)在納米汽霧聚焦超聲冷卻系統(tǒng)中為超聲霧化器產生的汽霧提供聲動力，汽霧在聚焦聲場中處在不同的的位置，其所受到的輻射壓力就會不一樣。聲場有近場和遠場之分。在近場區(qū)，聲壓的起伏會比較大，在遠場處聲壓趨于穩(wěn)定，在焦區(qū)聲壓達到最大值，然后逐漸減小。本文聚焦超聲系統(tǒng)聲場的實驗研究主要是定性的確定近場和遠場的聲壓分布及測定聲場的焦點位置，為聚焦超聲系統(tǒng)和超聲霧化器組合成納米汽霧聚焦超聲冷卻系統(tǒng)提供實驗依據。聚焦超聲系統(tǒng)聲場實驗聲場聲壓分布通過水面的波紋形狀來顯示。水面在受到來自聚焦超聲系統(tǒng)輻射的聚焦超聲聲壓時，在輻射聲壓的作用下，水面會向下凹，根據水面的波紋形狀判定聲場聲壓分布。聚焦超聲系統(tǒng)的焦點測定通過調節(jié)聚焦超聲系統(tǒng)和水面的距離來測定。在水面向下只有一個開口半徑最大且深度較深時，水面和聚焦球殼之間的間距即為聚焦超聲系統(tǒng)的焦距。聚焦超聲系統(tǒng)聲場實驗裝置如圖442所示，實驗時輸入功率較大時，聲場聲壓較大處會出現連續(xù)震蕩水波，各處前后各有一凹水坑，中間位置為中心連續(xù)冒氣泡，水面震蕩。因此，為了較準確的測定聲場特性，輸入功率要適中，使各處只出現一個凹水坑。圖442 聚焦超聲系統(tǒng)聲場實驗裝置，功率放大器采用恒壓模式，電壓為120V，水面初始高度尺讀數為38mm，水面初始中心尺讀數46mm。球殼在上升的過程中，分別記錄下出現凹水坑時聚焦超聲系統(tǒng)的位置及相應凹水坑中心深度和寬度，然后對實驗數據進行處理，計算出凹水坑最低點距球殼內球面最凹點距離，并繪制凹水坑深度變化曲線和凹水坑寬度變化曲線。凹水坑深度變化曲線和凹水坑寬度變化曲線分別如圖44圖444所示。 圖443凹水坑中心深度變化曲線在近場，聲壓震蕩且聚焦性能弱，形成多點震顫水波或多圈波紋，隨著距離的增加，聚焦作用增強，開始出現凹水坑；圖443表明。這與球殼的理論焦距42mm相一致。此處的凹水坑深度最大，表明此處的聲壓最大；2在焦區(qū)之前凹水坑深度增加較快，焦區(qū)之后下降較慢，說明聲壓焦區(qū)之前增加較快，焦區(qū)之后緩慢下降，這與有限元等聲場分析結果一致。圖444 凹水坑寬度變化曲線圖444表明在焦區(qū)之前凹水坑寬度先增大后減小，焦區(qū)之后寬度增加并穩(wěn)定。焦區(qū)之前凹水坑寬度先增大后減小，先增加是因為球殼近處聚焦作用弱，中心聲壓小，隨著距離的增加，聚焦作用增強，中心聲壓變大，表現為凹水坑寬度增加，但實際波束寬度仍是減小的；距離繼續(xù)增加，聚焦作用繼續(xù)增強，聲束變窄，凹水坑寬度減小，聚焦作用最強，凹水坑寬度減至最??；焦區(qū)之后聲束發(fā)散，凹水坑寬度增加，由于焦區(qū)后聲壓下降緩慢，故凹水坑的寬度也穩(wěn)定。實驗與有限元等聲場分析結果一致。 本章小結由于聚焦超聲換能器徑長比大，本文采用了一維振動理論做設計指導，有限元分析修正的方式進行設計。根據線彈性理論和薄板的小撓度彎曲振動理論設計了聚焦球殼，并對其進行了有限元分析。對聚焦超聲換能器和聚焦球殼組合的聚焦超聲系統(tǒng)進行模態(tài)分析并優(yōu)化了相關結構尺寸，使聚焦超聲系統(tǒng)的振型、諧振頻率更理想。對聚焦超聲系統(tǒng)的聲場進行了理論分析，并對其在水中聲場進行了有限元模擬，結果表明，聚焦超聲系統(tǒng)聲場聲壓與理論分析相符。根據設計結構尺寸制作了聚焦超聲系統(tǒng)，使用PV70A阻抗分析、MTI2100光纖測振儀等儀器對其阻抗特性、振動特性、進行了實驗研究，實驗表明，采用聚焦超聲系統(tǒng)的阻抗特性較好；聚焦球殼等的振型及節(jié)圓等振動特性參數實驗結果與理論設計相符合；聲場聲壓分布與理論一致；，達到設計要求，所設計聚焦超聲系統(tǒng)滿足設計要求。