聚焦超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究-資料下載頁(yè)
2025-08-21 12:00本頁(yè)面
【導(dǎo)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(qiáng)度等因素，超聲霧化器變幅桿長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)，直徑不能過(guò)小。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要求聚焦超聲系統(tǒng)總長(zhǎng)小于80mm。聚焦超聲換能器的材料以40Cr為例，超聲頻率為50KHz時(shí)，其1/2波長(zhǎng)長(zhǎng)度為46mm。為便于調(diào)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(nèi)徑至少12mm，根據(jù)市場(chǎng)上陶瓷片的規(guī)格，選取陶瓷片的尺寸為外圓直徑35mm，內(nèi)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(wèn)題。因此，本文聚焦超聲換能器的設(shè)計(jì)采用一維設(shè)計(jì)理論作為指導(dǎo)，使用有限元分析進(jìn)行修正的方法設(shè)計(jì)。聚焦超聲換能器是聚焦超聲系統(tǒng)的動(dòng)力源，為聚焦超聲球殼提供超聲信號(hào)。
【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(yàn)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(cè)試結(jié)果，聚焦超聲系統(tǒng)的聚焦球殼應(yīng)懸空，將聚焦超聲系統(tǒng)水平放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)。測(cè)試頻率范圍先設(shè)置為40KHz～60KHz找到諧振頻率，然后縮小頻率范圍進(jìn)行精確測(cè)定。將測(cè)試頻率范圍設(shè)置為48KHz～51KHz進(jìn)行精確測(cè)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(dòng)態(tài)電抗R動(dòng)態(tài)電容C動(dòng)態(tài)電感L自由電容CT、半功率點(diǎn)與、最大導(dǎo)納、自由介電常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因素Qm和機(jī)電耦合系數(shù)Keff等性能參數(shù)如表45所示。表45 聚焦超聲系統(tǒng)阻抗特性參數(shù)諧振頻率反諧振頻率靜態(tài)電容動(dòng)態(tài)電容C1動(dòng)態(tài)電阻R1動(dòng)態(tài)電感L1自由電容CT半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)自由介電常數(shù)機(jī)械品質(zhì)因素Qm有效機(jī)電耦合系數(shù)Keff平面機(jī)電耦合系數(shù)Kp導(dǎo)納相位772對(duì)數(shù)特性圖中的導(dǎo)納圓為一較好的圓，對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中只有一對(duì)極小值和極大值，動(dòng)態(tài)電阻R1為24Ω，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm為772，說(shuō)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(shè)計(jì)要求。同時(shí)，這些測(cè)得的阻抗特性數(shù)據(jù)為聚焦換能器的電路阻抗匹配提供了重要依據(jù)。2. 聚焦超聲系統(tǒng)振動(dòng)特性研究聚焦超聲系統(tǒng)的振動(dòng)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(chǎng)的輻射強(qiáng)度，輸出振幅越大，意味著聚焦超聲系統(tǒng)輻射聲場(chǎng)強(qiáng)度愈大，超聲的聲動(dòng)力效應(yīng)就會(huì)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(shè)計(jì)球殼為二階彎曲振型，有一個(gè)節(jié)圓。聚焦球殼的實(shí)際彎曲振型與設(shè)計(jì)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(nèi)表面節(jié)圓一側(cè)振動(dòng)相位，使其在聲場(chǎng)中與另一側(cè)同相位疊加，增強(qiáng)聲場(chǎng)強(qiáng)度。因此，對(duì)聚焦超聲系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究顯得十分必要。聚焦超聲系統(tǒng)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)由信號(hào)發(fā)生器和功率放大器提供超聲頻電信號(hào)，使用MTI2100光纖測(cè)振儀測(cè)定聚焦超聲系統(tǒng)振動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖439所示。 圖439 聚焦超聲系統(tǒng)振動(dòng)特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置聚焦超聲系統(tǒng)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)分布如圖440所示。為了使測(cè)得點(diǎn)能真實(shí)地反映聚焦球殼內(nèi)表面的振型，將球殼內(nèi)表面分4共4個(gè)方向，每個(gè)方向從外向里依次為1～11點(diǎn)，其中9～11點(diǎn)在加厚球殼上，1～，9～，共44個(gè)測(cè)試點(diǎn)。功率放大器采用恒壓模式，電壓為120V，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率，電流達(dá)到最大值時(shí)，聚焦超聲系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，諧振頻率為 。對(duì)聚焦超聲系統(tǒng)球殼內(nèi)表面實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行振幅測(cè)量，振幅曲線如圖441所示。 圖440 聚焦超聲系統(tǒng)振動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布 圖441 球殼內(nèi)表面振幅分布曲線圖441表明，一，在四個(gè)方向上，聚焦超聲系統(tǒng)球殼內(nèi)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(diǎn)均為8點(diǎn)，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(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)相符合，滿足設(shè)計(jì)要求。 聚焦超聲系統(tǒng)聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的汽霧提供聲動(dòng)力，汽霧在聚焦聲場(chǎng)中處在不同的的位置，其所受到的輻射壓力就會(huì)不一樣。聲場(chǎng)有近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)之分。在近場(chǎng)區(qū)，聲壓的起伏會(huì)比較大，在遠(yuǎn)場(chǎng)處聲壓趨于穩(wěn)定，在焦區(qū)聲壓達(dá)到最大值，然后逐漸減小。本文聚焦超聲系統(tǒng)聲場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究主要是定性的確定近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的聲壓分布及測(cè)定聲場(chǎng)的焦點(diǎn)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(shí)驗(yàn)依據(jù)。聚焦超聲系統(tǒng)聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)聲場(chǎng)聲壓分布通過(guò)水面的波紋形狀來(lái)顯示。水面在受到來(lái)自聚焦超聲系統(tǒng)輻射的聚焦超聲聲壓時(shí)，在輻射聲壓的作用下，水面會(huì)向下凹，根據(jù)水面的波紋形狀判定聲場(chǎng)聲壓分布。聚焦超聲系統(tǒng)的焦點(diǎn)測(cè)定通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦超聲系統(tǒng)和水面的距離來(lái)測(cè)定。在水面向下只有一個(gè)開(kāi)口半徑最大且深度較深時(shí)，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(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖442所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入功率較大時(shí)，聲場(chǎng)聲壓較大處會(huì)出現(xiàn)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(zhǔn)確的測(cè)定聲場(chǎng)特性，輸入功率要適中，使各處只出現(xiàn)一個(gè)凹水坑。圖442 聚焦超聲系統(tǒng)聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(shù)為38mm，水面初始中心尺讀數(shù)46mm。球殼在上升的過(guò)程中，分別記錄下出現(xiàn)凹水坑時(shí)聚焦超聲系統(tǒng)的位置及相應(yīng)凹水坑中心深度和寬度，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出凹水坑最低點(diǎn)距球殼內(nèi)球面最凹點(diǎn)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(chǎng)，聲壓震蕩且聚焦性能弱，形成多點(diǎn)震顫水波或多圈波紋，隨著距離的增加，聚焦作用增強(qiáng)，開(kāi)始出現(xiàn)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(shuō)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(chǎng)分析結(jié)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?yàn)榍驓そ幘劢棺饔萌?，中心聲壓小，隨著距離的增加，聚焦作用增強(qiáng)，中心聲壓變大，表現(xiàn)為凹水坑寬度增加，但實(shí)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(qiáng)，聲束變窄，凹水坑寬度減小，聚焦作用最強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)與有限元等聲場(chǎng)分析結(jié)果一致。 本章小結(jié)由于聚焦超聲換能器徑長(zhǎng)比大，本文采用了一維振動(dòng)理論做設(shè)計(jì)指導(dǎo)，有限元分析修正的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)線彈性理論和薄板的小撓度彎曲振動(dòng)理論設(shè)計(jì)了聚焦球殼，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。對(duì)聚焦超聲換能器和聚焦球殼組合的聚焦超聲系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析并優(yōu)化了相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，使聚焦超聲系統(tǒng)的振型、諧振頻率更理想。對(duì)聚焦超聲系統(tǒng)的聲場(chǎng)進(jìn)行了理論分析，并對(duì)其在水中聲場(chǎng)進(jìn)行了有限元模擬，結(jié)果表明，聚焦超聲系統(tǒng)聲場(chǎng)聲壓與理論分析相符。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸制作了聚焦超聲系統(tǒng)，使用PV70A阻抗分析、MTI2100光纖測(cè)振儀等儀器對(duì)其阻抗特性、振動(dòng)特性、進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)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(dòng)特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)相符合；聲場(chǎng)聲壓分布與理論一致；，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)聚焦超聲系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。
環(huán)評(píng)公示相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1