超声振动辅助液体喷射装置设计

超声振动辅助液体喷射装置设计摘要 ：高强度功率超声具有巨大的能量，可以释放到液体和粉末等介质中。本文以液体射流为应用背景，利用现有的超声波超声振动技术，提出了一种新型的压电超声波射流振动器，并对其进行了测试和制造。 基于模式转换理论，我这次对一种超声振动液体喷射装置进行研究。使用有限元软件执行超声振动系统的动态在模型上所进行的系统性能分析设计，使用有限元方法，体积法，有限差分等方法从表面上分析高频率声波转换里面的每个元素，并对节圆所在点有影响，振动形式和超声振动注射液体实验。这次研究了影响它的要素。该设备的实际应用选择了磁盘振动形式式并设计了一个与之相符合的号角。通过数值分析方法，计算出总共的频率，并根据有Femap + NX， NastranCOMSOL Multiphysics的动态策划结果开发了超声波振动辅助液体喷射实验装置，并提起想出了圆盘抖动器和喇叭的安装方法。在实验温度20C条件下测试了高频率声波振动液体加到实验配件的振动性能，并分析了加入区域内液体注入振荡器的均匀性。液体射流厚度对电压射流效应影响的实验结果表明，压电超声射流振荡器可以完成液体喷射过程。 关键词：功率超声 喷射 液体Design of ultrasonic vibration assisted liquid ejectorAuthors Name: SongJiannan Tutor:GuoCe Abstract: High intensity power ultrasound has huge energy and can be released into liquid, powder and other media. Based on the application background of liquid jet and the existing ultrasonic vibration technology, a new type of piezoelectric ultrasonic jet vibrator is proposed, tested and manufactured.Based on the mode conversion theory, this paper studies an ultrasonic vibration liquid injection experimental device. Each element of the ultrasonic mode conversion system is theoretically analyzed by using numerical methods, Finite element method, volume method, finite difference method and other methods are used to analyze each element in high frequency acoustic wave conversion from the surface, and have influence on the location of pitch circle, vibration form and ultrasonic vibration injection liquid experiment. I have studied the factors that affect it. The actual application of the device selects the disk vibration mode and designs a matching horn. Through finite element software simulation, the total working frequency is calculated. According to the dynamic planning results of Femap+NX, NastranCOMSOL Multiphysics, an ultrasonic vibration assisted liquid injection experimental device was developed, and the installation method of the disk shaker and the horn was proposed.The vibration performance of the ultrasonic vibration liquid injection experimental device was tested under laboratory conditions, and the uniformity of the liquid injection oscillator in the injection area was analyzed. The experimental results of the influence of liquid jet thickness on voltage jet effect show that the piezoelectric ultrasonic jet oscillator can complete the liquid jet process.Keywords: Power Ultrasonic jet liquid目 录1 绪论21.1 研究背景21.2课题研究意义32 功率超声技术42.1功率超声技术简介42.2功率超声处理53 超声注射装置的动态设计103.1 简介103.2换能器模拟计算123.3弯曲振动圆盘动态设计133.4圆盘振子的直径与模态选择153.5 盘式振动器的厚度与固有频率之间的关系183.6 变幅杆的数学法模拟204 结论22总结与致谢24参考文献251 绪论1.1 研究背景在超声中，超声能量通常用于改变物质或物体的特定状态或在物体内部传输信息。用来传送信息或者变化形态的这些能量频率高的声波是高功率超声，再者，简单地把他说成功率超声。功率超声是用超声波使物体和物性发生变化的功率应用，是研究各种超声波声学里面最重要的部分，这几十年来一直处于进步状态。功率超声里面高功率和超声的生成，在介质中传递的规律，强大的声波与物体的相互作用以及各种功率超声的使用成为了这门研究的要紧部分，。 在功率超声范围内，形成超声的关键办法有三种：一种是通过用电声换能器将电能转换为声能来产生超声，第二种是通过流动的气体或者液体来产生超声。最后一种是磁致伸缩效应，会产生超声波。当然，通过增加单个换能器的功率容量，可以获得更高功率的超声，好几个换能器放一起运行可能出现更高功率的超声。 与功率超声的研发使用相关的另一个主要事情是它的产生的一部分效果，在介质中超声传播时会产生：机械效应，热效应，化学效应，生物学效应等。或者力学相关的，例如搅拌，分散，脱气，起雾，絮凝，冲击压碎和疲劳损伤；吸收声音并导致物体整体和局部发热的热效应；化学作用，如氧化，还原，加快高分子聚集或者分离。功率超声具备很多其他技术没有的长处，从改革开放以来我们中国的功率超声技术一直在前进在研发。该技术已广泛应用于许多重要领域，例如冶金，化工，机械，医药，能源，材料，农业，环境等。 超声振动辅助处理技术是使用超声发生器将功率频率AC电能转换为使用特定频率输出的功率频率超声振动。振动能量聚焦是一种增加固定在焊头末端的工具（刀，砂轮或工作台，喷嘴等）的超声振动以提高加工技术性能的方法。 1.2课题研究意义超声疗法是功率超声技术应用的重要组成部分，是指利用超声能量改变或加速物理或化学或生物学特性或物质的变化。 1超声处理在当今的轻重业中有着不可分割的一部分。在欧洲国家，超声波研究是早期进行的，“超声波加热”在1950年代开始流行。即使在改革开放之后，中国仍在进行功率超声技术的综合研究。 超声抛光系统和超声研磨技术大多数地方都相同，同样它也是一门最近成型的一门加工领域，通过对超声抛光过程施加超声振动来提高抛光效果。超声波抛光还使用超声波振动将研磨液和研磨液颗粒撞击到工件表面上，降低工件表面粗糙度。其外，超声波能在液体中发生声空化作用，这样可以高效地去除工件多余的部分,改善被处理表面的平坦度的目的。不管是产生空化效果还是推动液体微小颗粒的细磨，超声振动抛光一定都会须要大量的超声振动能量来提供。 特殊加工行业一直在发展中，超声振动辅助加工技术被广泛应用于车削和磨削加工中，原材料半成品变成成品的效率和变成优质品的速度将会提高。所以，如果将超声振动引入到磨料水射流处理中，将会产生预期的效果，即改良，然而在以往的超声辅助处理中，工具上是安装超声振动的部件，局部情状发生时，不容易在设备部件的运动起到一定作用。反之将采取简单规划装置使零件振动。因此，在超声振动辅助抛光水刀抛光中，通过超声振动台将振动施加到工件上。在磨料水射流抛光工艺中，因为用起来压力不高，颗料的直径和流量不高，常规的低压气源不断地气力输送磨削改变加入气体方法使磨料吸引力度参差不齐，在控制流量方面没法得心应手。目前存在的磨料水喷射处理系统里面，需要新研发一种新型的磨料给料器，以克服磨料给料器的不均匀供应缺陷并防止在操作期间发生堵塞。 2 功率超声技术 2.1功率超声技术简介在超声中，超声能量通常用于改变物质或物体的特定状态或在物体内部传输信息。这种为了传输信息和更换状态的高能超声叫做高功率超声。超声学里面占比较重的部分：超声学，成为近些年的热门科学，不断在研发。功率超声里面最首要的研究是关于高功率和高强度超声如何生成，在介质中的强超声传播，强超声和物质相互作用，和各种功率超声的实际运用。 在功率超声领域，产生超声的主要方法有三种：电声换能器通过将电能转换为声能来产生超声，第二是产生超声的功率，还有一个是产生产生的功率，就像流动体差不多。它的使用方式不同，并且磁致伸缩效应会产生超声波。当然，通过增加单个换能器的功率容量，可以获得更高功率的超声，有时多个换能器可以一起工作以获得高功率超声。 与功率超声的开发和应用相关的另一个主要问题是其有效性，当强大的超声波传播到介质中时，它们将产生一系列效应，例如机械，热，化学和生物效应。机械作用，例如搅拌，分散，脱气，起雾，絮凝，冲击压碎和疲劳损伤；吸收声音并导致物体完全和局部发热的热效应；功率超声（例如聚合和解聚）和其他化学效应（例如促进氧化）在减少和促进聚合物聚合方面具有许多优势。 2.2功率超声处理 超声处理是功率超声技术应用的重要组成部分，是指利用超声能量改变或加速物理或化学或生物学特性或物质的变化。超声处理包括超声清洗，超声焊接，超声乳化，超声珩磨和超声抛光3。超声处理是产品加工制造方面重要组成部分。在中国早期进行了超声研究，并在1950年代普及了“超声热”技术。即使在改革开放之后，中国仍在进行功率超声技术的综合研究。 （1）超声清洗超声波清洗是用液体里面的小气核空化泡在声波作用下振动。空化是指在液体中存在微泡并在声场的作用下发生高频振动，当声压达到一定值时，微泡迅速生长，然后突然关闭并迅速破裂（见图1.1）。局部高温会完全分解不溶性污染物，并将其分散在液体中。超声波洗涤用的是功率高能量高的超声波把能量释放到水中的成功实例，而超声波清洗在生活和工业中是重要的场所。 超声波清洗可以执行常规清洗方法无法完成的任务。当要求很高或难以清洁时，通常使用超声清洁，并且自1950年代引入第一台超声清洁设备以来，超声清洁行业正在迅速发展。超声波清洗是现在超声波清洗的发展的前景，主要表现是被加工的一面和声波的扩散路线平行，其机理不同于传统的超声波清洗，并且空化效应不会显着影响清洗效果。通常情况下这个原理是声压梯度，粒子速度和声流的效果。可以减少对被清洁物表面的损伤，适用范围更广，主要还是因为空化作用没那么要紧。（2）超声乳化 使用超声乳化法将两种或更多种互不溶的溶液分散在乳剂中称为超声乳化6。晶体乳化使用换能器将高强度的声波发射到液体中，然后将液体中的小颗粒分解并将液体混合在一起。图1.2是超声乳化设备。 与固有的的乳化操作比，超声乳化质量优良，高效率低成本，然后被慢慢用到制造，化学，医疗等行业。 （3）超声雾化超声雾化是利用超声波能量把液体汽化变成小露珠的技术。超声波形成低于常压在液体，隆起的那边周围会因为奇穴效应出现小水珠。超声雾化目前主要用于医学中，主要是雾化吸入疗法。超声波喷雾也适用于现实生活，例如空气加湿器，香水，消毒剂，浴雾，盆景，栽培等。这是超声波雾化器延长使用寿命的实际应用示例。超声雾化器也用于工业中，并且超声波流体注入使用高能超声波将液体释放到空气中。这是超声喷涂的另一个迹象。可以运用在喷涂，抛光技术方面。 （4）超声焊接超声波焊接是比较良好的技术，用超声波振动技术使分子彼此移动，同时在恒定压力下摩擦彼此的表面，从而实现分子层之间的融合和凝固。典型的超声焊接系统由超声发生器，换能器振动系统，压力装置和时间控制装置组成。换能器，喇叭和焊接工具头构成超声振动系统，以提供用于超声焊接的功率，并且是用于超声功率和电声能的转换装置。压力装置提供焊接期间焊接所需的接触压力。时间控制装置的功能包括自动控制预紧，焊接，保持，减压和间隔时间。 超声波焊接能焊接不一样的材料，在焊接过程中不需要焊接溶剂，胶水和其他助焊剂，焊接速度快，并且必须将电流输入到工件中。作为高热源引入的，仅在静压力下焊接，因此几乎没有应变和残余应力，非常适合现代加工要求。 （5）超声珩磨 超声珩磨是通过使用带式磨削工具进行机加工来加工零件各种表面的方法。超声珩磨装置由超声发生器，换能器，变幅杆，弯盘，砂轮片，砂轮等组成。例如，超声珩磨具有低的珩磨功率，低的珩磨温度，低的挡油力，高的加工效率和良好的加工质量。 （6）超声磨削超声磨削是在研磨中引入超声波振动。加进超声波振动避免了砂轮堵塞和磨削烧伤这些麻烦，提高了磨削效率和质量，特别是对于小孔和工程陶瓷以及其他坚硬易碎的材料。 （7）超声车削超声车床加工是工具上用超声波振动车削，超声车削是通过换能器将电能转换为超声波振动，其中喇叭的振幅被放大然后传递到车削工具。超声车削大大降低了车削功率，减少刀具磨损。 （8）超声研磨超声研磨是超声振动上适用研磨工具，超超声研磨装置的组成包括超声换能器，变幅杆和破碎工具。与常规磨削相比，超声研磨技术具有高效和平滑的优点。 （9）超声抛光超声抛光系，是和超声研磨技术差不多的加工技术，并且通过对超声抛光过程施加超声振动来提高抛光效果。超声波抛光还利用超声波振动能将磨料液和磨料液颗粒碰撞到工件表面上，降低表面粗糙度。液体中也会因为超声波声振动，清楚额外的废料，把工件表面粗糙度降低。利用很大的能量可利用超声来驱动研磨性液体颗粒和产生气穴效果。 （10）超声波悬架在精密加工技术领域，对零件表面质量的要求非常高，在加工或运输过程保证部件的表面完整，通常采用超声悬浮法来解决这些运输或拉伸问题。超声波悬浮技术利用重力或微重力空间中强大的驻波声场的辐射压力来使浮空的物体的受力分析平衡，其微粒能够分散在声场中。超声波悬架技术是自1970年代以来发展迅速的一项新技术，已广泛用于诸如物理和流体力学等实验研究领域。超声波悬浮技术能不通过肉眼可见的相触碰来创造适合做实验的条件，消除了容器制备材料的二次污染，并获得了高纯度的材料。某些物质的性能，温度过高或者过低的液体，溶解度达上限的溶液，高纯度或高活性物质，它们流体层表面的摩擦和张力都容易在没有器皿的时候测量。 （11）超声除尘超声波除尘的过程非常复杂。主要是通过超声波喷射，当空气中的灰尘和雾气相互接触时，灰尘会通过冲击，堵塞，凝结和扩散的综合作用而集尘。灰尘堆积越大，减少的程度就越少3 超声注射装置的动态设计 3.1 简介功率超声波具有出色的性能，并且易于操作和环保的优点在工业应用中具有良好的前景。本文基于功率超声技术制造超声粉末注射装置。用在喷涂汽车发电机线圈线接头的绝缘粉。 汽车发电机的定子材料需要绝缘性能好的材料。由于定子漆包线的特殊粘合工艺，必须喷涂环氧树脂和其他绝缘粉末。将环氧粉末加热固化后，可以达到隔热的目的。常用喷涂缺点明显，不易控制，环境污染严重，所以这次抛开旧的理论，开发新的压电超声喷涂装置。 下文以半径60mm的汽车发电机定子为参考（参见图3.1汽车发电机定子结构图），并设计相应的喷粉振动器。主要针对发电机定子环带的连接区域设计了绝缘粉末喷涂装置。注射原理的示意图如图3.2所示。绝缘粉末布置在盘式振动器的外环的表面上，弯曲振动会把附着上面的粉末向上投到指定位置。利用功率超声波的能量辐射效应，可以将绝缘粉末向上抛掷，并且加热后可以将绝缘粉末粘附到电线接头上。这是一种新型的功率超声应用。为了将粉末抛到理想的位置，超声喷射装置的弯曲振动盘的动态设计变得特别重要。圆盘振荡器的设计应正确匹配换能器和喇叭。，考虑了谐振频率的均匀性和整个振荡器的电源。 在考虑了整个振动器的结构方案之后，本文的后续内容主要采用模式转换的第二种设计方法，即如何分别设计喇叭和盘式振动器。振动注入器和喇叭的设计对于超声注入设备的应用尤其重要。本章从换能器，圆盘振动器和扬声器的设计开始，并使用有限元软件进行动态分析和设计。 3.2换能器模拟计算换能器是超声注射设备的重要组成部分。最大限度地提高现有效率，以使喇叭和弯曲膜片的固有频率与换能器频率相匹配。能源设备执行模拟计算，以协助喇叭和弯曲振动盘的模拟和设计。在进行模拟计算之前测量换能器。为了简化有限元数值模拟，在测量过程中忽略了一些结构细节。图3.3显示了传感器的结构。 基于图3.3中的基本尺寸，使用有限元软件模拟了换能器的主要拉伸振动模式，图3.4中显示了有限元模型。固有频率为20.88k Hz。根据此频率匹配换能器和弯曲振动盘可以优化换能器的效率，从而将能量释放到空气中。 3.3弯曲振动圆盘动态设计弯曲振动盘是在预定的位置出粉末的关键部件，在转化方面特别重要。为了使投放到空气中换能器的能量最大，对应的弯曲振动圆盘和原有的应该频率一样。在本节的上一部分中，通过仿真计算得出的换能器的固有频率为20.88k Hz，弯曲振动盘的固有频率应与其接近。为了在所有方面进行盘式振动器的动态设计，有必要选择盘式振动器的类型，材料，形状和尺寸。 圆盘振动器的材料选择基于弯曲振动盘的理论计算公式：。弯曲振动盘的材料会影响固有频率以及将能量耗散到空气中的效率。为了了解弯曲振动盘材料对配合性能的影响，有必要选择并分析盘振动器的材料。选择材料以方便工程应用时，应选择常用材料。表3.1列出了具有良好加工性能和成本优势的常用材料的相关参数。 表3.1常用材料的相关参数Tab. 3.1 The relevant parameters of common materials材料弹性模量E (10nPa)泊松系数材料密度 (kg/in3)铜1.10.348400钢20.37800为了了解材料对光盘弯曲振动的影响，有必要进行分析计算并进行比较。弯曲振动盘的振动模式为B20，直径为120mm。根据方程式（2.32），当选择各种材料时，可以获得盘式振荡器的厚度，并且基于该厚度，可以获得材料的质量。在实际经验中，在固定传感器功率的同时，质量越轻，磁盘越容易振动，释放到空气中的能量越大。选择的材料应轻巧且便于携带。表3.2比较了相同模式和固有频率下各种材料的厚度和质量。 表3.2选用材料的质量Tab. 3.2 The mass of alternative materials材料铜钢硬铝玻璃厚度(mm)11.08.07.80.3质量(kg)1.040.710.230.01根据上表的分析，在各种材料中，玻璃在相同的模态，固有频率和直径下质量最轻，但在高频振动下玻璃材料相对较脆且易碎。因此，玻璃材料不适合用作盘振动器材料。在其余的一般材料中，硬铝材料最适合圆盘振动器的加工，比其他材料更轻，并且具有较高的疲劳强度，它比较符合这次实验装置的圆盘振动器材料，且选用硬铝当材料3.4圆盘振子的直径与模态选择 圆盘振动器需要将能量释放到空气中，然后再驱动粉末喷雾以满足喷雾要求。也就是说，可以在预定的高度并进行喷涂粉末应均匀。然后再选择圆盘直径。本文是基于直径为120 mm的发电机定子设计和制造的，因此粉末注入区域的直径应约为120 mm。根据第2章中的理论，当振动弯曲时，圆盘振动器会产生一个螺距圆，并且螺距圆附近的粉末不会抛出到空气中，因此在粉末注入过程中不应出现圆盘振动器的螺距圆。如果粉末喷涂区域（即直径110mm130mm）不应该有节圆，则最好在两个节圆之间制作一个定子线圈。如果圆盘振动器的直径太大，则圆盘振动器的质量将显着增加，这不会影响换能器发射电磁能量。在选直径时应该慎重考虑。节圆位置会因为振动模式而不一样。节圆越少，越靠近内部，能量发射越大并且节圆越小。由于节圆与节圆之间的距离越小，直径就不能符合要求，因此碟片的模态选择会考虑以上所有因素。为了处理上述两个问题，有必要综合考虑振动模式和振子直径。 不同直径和对应圆位置影响圆片位置和圆盘振动器直径之间的关系。可以通过理论计算或有限元软件仿真计算来获得圆盘振动器的节圆位置，本文选择了有限元仿真计算。要合并比较前提，请选择相同的振动模式并在比较期间分析螺距圆的位置。 B20振动模式和固定固有频率选择在此振动模式下，使用有限元软件模拟和计算光盘振动器，并确定光盘的螺距原始位置，以分析光盘的直径和螺距。原始位置关系表3.3是节圆位置与圆盘直径之间的关系，通过有限元模拟计算得出。当圆盘的直径从120mm变为150mm时，节圆位置和圆盘振动器直径之间的关系可以在表3.3中看到。圆盘振动器的直径越大，节圆的半径越大。节圆的位置向外延伸。 B20振动模式和固定固有频率选择在此振动模式下，使用有限元软件模拟和计算光盘振动器，并确定光盘的螺距原始位置，以分析光盘的直径和螺距。原始位置关系表3.3是节圆位置与圆盘直径之间的关系，通过有限元模拟计算得出。当圆盘的直径从120mm变为150mm时，节圆位置和圆盘振动器直径之间的关系可以在表3.3中看到。圆盘振动器的直径越大，节圆的半径越大。节圆的位置向外延伸。 表3.3节圆直径3.3 The diameter of pitch circle圆盘振子直径（min）120130140150节圆1直径（mm）48505860节圆2宜径（min）100108118126以下是当圆盘直径恒定时不同模式下螺距直径变化的分析。在本文中，选择直径为120 mm的圆盘振动器作为前提。在其他模式下，节圆的位置由有限元软件计算。由于B10振动模式无法满足实际需求，因此未考虑该振动模式。表3.4列出了通过数值分析算出各个节圆位置。 表3.4同宽度下不同振动模态的节圆直径Tab. 3.4 Pitch diameter of different vibration modes under the same diameter振动模态B20B30B40节圆1直径(mm)482824节圆2直径(nun)1007252节圆3直径(mm)无10682节圆4直径(mm)无无110通过分析上表，圆盘振动器的不同模式将对应于不同数量的节圆和节圆位置。如果仅考虑振动模式不足以设计和制造合适的盘式振动器，则应考虑前段中得出的结论，以全面指导盘式振动器的模式选择。 要选择B20作为使用的振动模式，必须调整圆盘的直径，使节圆位置满足预期，所以这样圆盘振动器的直径非常大，相对应的加工变得困难，浪费了振动器的能量，置换能量装置输出变低，直径越大，边界处的振动幅度越小，不少振动产生的能量白白流失。这种方式不满足现实要求。根据实际需要采用B30振动模式。从表中可以看出，即使B30振动模式的节圆位置不在适当区域内，也可以调节圆盘振动器的直径，以将粉末注入区域的位置更改为所需位置。 即，粉末注入面积为约120mm。然后，满足此要求的区域在螺距圆2和螺距圆3之间，并且螺距圆不在喷粉区域内。在此振动模式下，圆盘振动器的直径比B20模式下小得多。 B40基本上也满足实际要求。低振动的振动模式减少了传感器的能量损耗，所以最终还是采用B30振动模式。 当选择B30作为操作模式时，如果圆盘振动器直径为120mm，则节圆的位置不符合要求。圆盘振荡器直径的最终确定需要进行仿真计算。表3.5显示了圆盘振动器的直径和节圆变化之间的关系。如表3.5所示，直径为150 mm的圆盘振动器的节圆位置最适合注射条件的实际要求。 表3.5圆盘振子直径与节圆直径的关系Ab. 3.5 The relationship of the disk diameter and pitch diameter圆盘振子直径（mm）130135140145150155节圆1 (mm)323436373840节圆2 (mm)767884869092节圆3 (mm)116118124130134138 如上所述，如果使换能器的能量最大程度地进入空气，则圆应如上所述，当换能器的能量释放到最大时，圆盘振动器和换能器的固有频率必须彼此匹配。公式（2.10）表明，可以通过调节磁盘振动器的厚度来改变磁盘振动器的固有频率。 3.5 盘式振动器的厚度与固有频率之间的关系本文中，通过有限元软件仿真计算出盘式振动器的频率与厚度之间的关系。表3.6显示了圆盘振荡器的固有频率随厚度的变化。 表3.6厚度与固有频率的关系Tab. 3.6 The relationship between the thickness and frequency振子厚度（mm） 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.96.0频率（kHz） 19.0 19.3 19.6 19.9 20.3 20.6 209 21.221.5 从表3.6中可以看出，5.8mm的厚度更能满足要求，在这种厚薄条件下，圆盘的本身频率和换能器的工作频率有不小的区别，因此选择5.8mm作为圆盘振子的厚度。综上所述，可计算圆盘振子的结构尺寸。图3.5显示了在有限元分析中圆盘振子和圆尺寸。此时，圆盘振子的固有频率为20.87k Hz，节圆直径为90mm和134mm。 3.6 变幅杆的数学法模拟变幅杆把物体运动的长度和速率变大，把高赫兹的声波能量聚拢合到一个不大的平面上，也就是用来聚集能量，再者它能和不好的实验环境分开，防止换能的装置破损。超声变幅杆是换能装置里面的最重要的一个部件，功能是连接圆盘和振动部件，超声振动喷射装置里面也需要这个部件。 变幅杆应该根据换能器的本身周期变化来制作，周期变化频率是20.88kHz ，所以杆的变化也应该于此类似。伸缩振子的本身频率fi为由上式不难得出： 变幅杆每个分节的长短，外观，总长短，接口处的大小，材料这些都是需要用心去做，把变幅杆做成楼梯形状的外观，能使传递能量的时候不会不稳定，本文就是采用这样的外观，防止在折点处作用力太集中导致无法用大功率传输。变幅杆端部用螺纹连接，防止能量在传输过程中损耗。变幅杆用不能用比较软的铝材料，所以下表3.7准备了硬度高的铝的一些数据，换能器和变幅杆设计的频率都差不多是20.88kHz，杆一端直径D1取39mm，另一端取13mm。变幅杆两段直接的部分采用弧形设计，经过计算和各种数学方法得出这段弧的直径是20mm，这段圆弧对杆的频率会产生一部分影响。根据常理暂时选用123mm的变幅杆，常理计算和各种数学方法计算有一定的差距，然后根据表3.8来探索杆长短和周期变化的关系。由表可知，杆越长，本身频率越低，变化幅度大，大概1Khz，当长度在133mm或者135mm时正好符合能量变化装置频率。为了将材料处理后频率和能量变化装置频率相互对应，涉及到阻尼的因素，还有数学方法计算结果实际偏高，那么这次选用长短为133mm的变幅杆。如图3.6所示，在杆的最下面加工出螺纹连来接换能装置，杆本身频率为21.25kHz。4 结论具有模式转换功能的超声振动系统可以增加超声波的辐射范围，并增加功率超声波的应用空间。本文基于模式转换理论，提出了一种新型的纵向挠曲复合压电振动器，开发了以该压电振动器为关键部件的超声注射装置，并对粉末的放射进行了研究。主要结论为： （1）基于压电驱动技术和振动模式转换理论，提出一种由带有角的垂直杆和平面外弯曲膜片组成的压电振动器，以完成粉末的超声注入。 （2）依次对夹层式压电换能器的振动和圆盘结构进行了理论分析和有限元数值模拟，研究了压电换能器和工作盘的动态调整。 （3）超声射流振动器是用有限元软件非静态策划的。分析了圆盘振动器的平面外曲线振动模式和节圆位置。进行了有限元数值模拟和最佳喇叭设计。最终，确定夹层压电换能器及其粗加工设备工作在二次膨胀模式下，而圆盘结构则工作在B30二次面外弯曲模式下。 （4）根据动态设计结果开发了一种超声波喷射振动器，并对超声波喷射振动器的形式进行了实验研究。物理比较将喇叭和圆盘结构的最佳组合进行比较，最后将圆盘和喇叭的机械结构整合在一起，整个超声波喷射振动器的工作频率为21.09k HZ。 （5）将超声波喷射振动器用作核心元件，并构造了用于超声波粉体喷射的实验装置。对环氧树脂和其他粉末的喷涂进行了实验测试，包括粉末匀称喷涂在振动器在喷涂区域，粉末达到的高度以及10 V的粉末厚薄对喷涂后果的作用，并对测试结果进行了分析。总结与致谢光阴似箭，日月如梭。转眼间，四年的学习生活就这样接近了尾声，四年的学习使我受益颇丰，无论是在学习上，还是对于我人生观价值观的形成上都产生了重要的影响。我觉得大学的四年使我进步最快的四年，人总是在成长，在进步的，现在的我一定比刚步入校园的我更好。在此，我要衷心的感谢这四年来一直帮助我的人。首先，我要感谢我的导师：郭策老师。老师不但是一位知识渊博的老师，同时也是一位平易近人的长辈。论文的完成离