强功率压电超声聚能器的高效设计与实验研究

"这篇论文是1990年由丁犬成、张福成、王志刚、程存弟、严碧歌和董彦武在陕西师大学报(自然科学版)第18卷第2期发表的，研究主题是强功率压电超声聚能器。文章介绍了梭棒式压电换能器的结构，并通过串联方式实现了聚能实验。实验中的系统工作频率为19.2kHz，当电功率容量低于2700W时，电声效率高达0.99。关键词包括压电换能器、串联合成和电声效率。" 正文: 这篇论文深入探讨了强功率压电超声技术，尤其是在超声塑料焊接和金属超声塑性成形等应用中的重要性。在高功率条件下，提高电声效率是一项挑战。为了应对这一问题，研究人员设计并制作了一种特殊的棱棒式压电换能器。该换能器由压电晶片、铝合金、铁合金和钢材四个主要部分组成。压电晶片具有38mm外径，20mm内径，5mm厚度；铁合金外径40mm，厚度30mm，而紧固螺栓则由钢材制成。 在分析过程中，研究者首先简化了换能器结构，选取其一半进行研究。他们假设中心横截面为应力波腹，两端为应力波节，以此为基础计算声阻抗。换能器的左边和右边被视作近似对称，利用声传输线理论，研究人员建立了频率方程，以确定在谐振状态下的工作条件。 公式(1)表示了基准面两侧的声阻抗关系，其中Z41和Z48代表螺栓声阻抗，Z39为铁合金的声阻抗，Z6为铝合金和压电陶瓷的总声阻抗。通过逐步计算，利用声速（S）、密度（ρ）和声阻抗（C）的乘积，以及波数（K）和长度（L）的关系，可以求解出各个参数。 此外，论文还提到了计算过程中使用的数学术语，如正切函数和反正切函数，用于确定声阻抗的值。这些计算是基于压电陶瓷、铝合金和铁合金等材料的物理特性进行的。研究的最终目标是优化换能器设计，以实现高效能量转换，提高电声效率。 这项工作是国家自然科学基金资助的项目，反映了在90年代初期中国在压电超声领域的研究水平和对高功率应用的关注。通过这样的研究，不仅可以提升超声设备的工作效能，还能为相关工业应用提供技术支持，推动科技进步。