悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究

针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求，设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子，从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动，实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动。对圆盘定子进行了结构动力学设计，使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致。样机模态实验表明复合定子频率一致性较好。通过悬浮高度和转速测试发现，转子悬浮稳定，转速与驱动频率有关，在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3 880  r/min。     

超声系统辐射声场的研究

研究了用于声场分布的直接边界元法.采用ANSYS对超声系统进行模态分析和谐响应分析,利用SYSNOISE实现边界元法计算了超声系统辐射声场,得到了矩形变幅杆的表面声压和辐射声场,并与理论值比较,验证了边界元的正确性.结果表明,利用边界元方法能为用于近场悬浮现象的超声系统设计提供理论依据和参考.     

基于近场声悬浮的非接触式直线型压电作动器

针对近场声悬浮(NFAL)传输在航空航天、高纯度材料加工以及微机电系统装配操作等领域的良好应用前景,设计出了非接触式直线型压电作动器。该作动器依靠兰杰文振子的振动,产生高声强声场来悬浮并驱动物体沿行波方向运动。先通过动力学分析和结构设计,试制出了一对兰杰文振子样机,并通过实验获得了其动态特性参数;然后,成功制造出了基于NFAL的非接触式直线型压电作动器,此作动器可悬浮传输的最大单位面积质量为3.06g。     

轴/径向耦合式非接触型压电作动器的研究

提出了一种基于近场声悬浮机理的球转子压电作动器,特别设计了可分别沿轴向和径向辐射超声近场的作动器,其目的是为了实现球转子的稳定、可控悬浮和高速旋转,可将其应用到航空航天的高速电机、球轴承传动或姿态传感领域。该新型压电作动器通过轴向与径向悬浮装置的不同耦合形式来提供超声悬浮力并以非接触的方式驱动球转子,实现对球转子的灵活控制。介绍了轴/径向耦合式非接触型压电作动器的结构和工作原理,通过仿真得到了悬浮装置的声场分布形式,深入分析和阐释了球转子的悬浮和驱动机制,加工了样机,搭建了轴/径向耦合式超声悬浮型压电作动器的特性测试系统,通过非接触式激光位移传感器得到了球转子的悬浮特性,并获得了691.5r/min的转速。     

圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

超声振动减摩性能的实验研究及理论分析

以超声减摩的核心构件压电振子为研究对象，在测量压电振子参数的基础上通过改变压电振子的工作电压，测量压电振子振动时辐射端面与特定的工作表面间的摩擦系数的变化规律，通过有限元法计算压电振子的振动模态，分析超声振动的减摩机理，以便进行适当的结构设计，利用超声振动的减摩性能制造出超声波悬浮轴承。研究证明，超声振动具有良好的减摩性能，压电振子处于纵向振动模态时减摩效果最好。     

基于近声场的超声悬浮试验

针对非接触式悬浮传输装置的良好应用前景,设计可应用于此种场合的基于近场声的超声作动器.对该作动器的核心驱动部件——压电换能器进行了结构设计并加工制造出了换能器样机.利用PVS-300F型多谱勒激光测振仪对换能器样机进行模态试验,获得了相关的动态特性参数.利用该作动器进行悬浮能力试验,发现随着激励电压的增大,悬浮高度呈现非线性增加.作动器最大单位面积悬浮重量为12.53 g/cm2.将试验结果与声辐射压力的理论计算比较,发现两者具有相似的变化趋势.     

基于近场互谱法的医用聚焦超声场多参数检测

为实现医用聚焦超声场声学性能快速、准确检测,提出基于近场互谱测量技术的声参数检测方法。首先介绍了近场互谱法测量原理,实现聚焦声场的声压、声强、声功率检测;然后在COMSOL下建立聚焦换能器辐射声场有限元模型,分析其声场聚焦特性和传播形态,给出检测方案;最后,搭建了实验平台,验证了该方法的有效性和正确性。结果表明,通过聚焦声场的近场声源面预测焦域的声压分布,估算声功率,实现了对聚焦超声场的多个声性能参数检测,且具有较高的精度,有望应用于医用换能器的现场检测,有效监控医用聚焦超声设备的声性能,保证设备安全使用且满足治疗效果。     

超声振动磨削振子的仿真与实验研究

设计了一种超声振动磨削振子,基于有限元分析方法对超声振动磨削振子进行了模态、谐响应仿真分析,并通过对加工装配好的超声振动磨削振子进行阻抗测试和振动特性测试实验,验证了有限元仿真结果的有效性。     

纵扭模态叠加型超声振子的设计研究

对纵扭模态叠加型超声振子进行了理论研究,该超声振子由纵扭同频夹心换能器与法兰连接段组成。首先,基于等效电路法和传输线理论,研究了纵向及扭转振动在纵扭同频夹心换能器中的传播规律,得到了该换能器的纵、扭共振的等效电路和频率方程组,并通过合理选择各圆柱段的长度,实现了纵扭同频共振。之后,基于环槽结构具有纵振耦合和扭振隔离的特性,对该换能器进行了简并设计,在其末端构造出了纵、扭简并节点,解决了法兰设置问题。最后,应用有限元软件ANSYS对简并后的超声振子进行仿真分析,结果表明超声振子纵扭共振的同频偏差率得到显著降低。