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大尺寸三维超声振动系统的智能优化设计

物理学报 2024年第8期73卷 181-194页

作者：林基艳孙姣夏林书玉榆林学院榆林市大数据与智能决策重点实验室榆林719000 陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710119

对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制,优化系统的性能,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制,提高系统振幅分布均匀度,且可以通过改变声子晶体... 详细信息

对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制,优化系统的性能,一直都是功率超声领域亟待解决的难题.研究发现,一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制,提高系统振幅分布均匀度,且可以通过改变声子晶体结构的配置参数人为地实现对大尺寸三维超声振动系统性能的调控.但过多的设计参数必然会增加系统设计的复杂度,且目前大尺寸三维超声换能器系统的优化设计依赖于经验试错法,设计效率和成功率较低,性能也无法保证.研究引入同质位错、点缺陷结构对大尺寸三维超声振动系统进行优化设计,并利用数据分析技术评价了同质位错、点缺陷结构的配置对系统辐射面的纵向位移振幅、振幅分布均匀度、辐射声功率、工作带宽等的影响规律,建立了同质位错结构、近周期缺陷结构的结构参数——大尺寸超声换能器系统性能的预测模型,实现了对大尺寸功率超声换能器系统的智能设计,提高了设计效率和成功率,降低了设计成本.

关键词：耦合振动大尺寸三维超声振动系统同质位错点缺陷智能化设计

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双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器

应用声学 2024年

作者：陈奕豪林书玉陕西师范大学物理学与信息技术学院

为了提升纵-扭复合振动换能器的输出效率，该文研究了双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器，其由一个夹心式压电超声换能器和一个带有双排斜槽的空心圆柱传振杆组成。给出双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器的等效电路图，推导了输... 详细信息

为了提升纵-扭复合振动换能器的输出效率，该文研究了双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器，其由一个夹心式压电超声换能器和一个带有双排斜槽的空心圆柱传振杆组成。给出双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器的等效电路图，推导了输入阻抗和频率方程。基于有限元仿真软件分析了斜槽的排数和双排斜槽的倾角、间距、长度、宽度、深度和传振杆周向刻槽数量等几何形状对纵-扭复合振动压电超声换能器共振频率和输出端平均扭转量的影响。设计和加工了换能器，实验测试表明理论共振频率与实验结果吻合较好，双排斜槽纵-扭复合振动压电超声换能器可以有效提升输出端平均扭转量和纵向-扭转振动的比率。

关键词：双排斜槽纵-扭换能器扭转振动等效机电图共振频率

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大尺寸三维超声振动系统的智能优化设计研究

物理学报 2024年

作者：林基艳孙姣夏林书玉榆林学院陕西师范大学陕西省超声学重点实验室

如何对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制，优化系统的性能，一直都是功率超声领域亟待解决的难题。研究发现，一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制，提高系统振幅分布均匀度，且可以通过改... 详细信息

如何对大尺寸三维超声换能器系统的耦合振动进行有效控制，优化系统的性能，一直都是功率超声领域亟待解决的难题。研究发现，一些声子晶体槽、孔结构可以对大尺寸换能器系统的横向振动进行抑制，提高系统振幅分布均匀度，且可以通过改变声子晶体结构的配置参数人为地实现对大尺寸三维超声振动系统性能的调控。但过多的设计参数必然会增加系统设计的复杂度，且目前大尺寸三维超声换能器系统的优化设计依赖于经验试错法，设计效率和成功率较低，性能也无法保证。研究引入同质位错、点缺陷结构对大尺寸三维超声振动系统进行优化设计，并利用数据分析技术评价了同质位错、点缺陷结构的配置对系统辐射面的纵向位移振幅、振幅分布均匀度、辐射声功率、工作带宽等的影响规律，建立了同质位错结构、近周期缺陷结构的结构参数—大尺寸超声换能器系统性能的预测模型，实现了对大尺寸功率超声换能器系统的智能设计，提高了设计效率和成功率，降低了设计成本。

关键词：耦合振动大尺寸三维超声振动系统同质位错点缺陷智能化设计

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驻波场中环状空化泡聚集结构的稳定性分析

物理学报 2024年第8期73卷 148-158页

作者：雷照康武耀蓉黄晨阳莫润阳沈壮志王成会郭建中林书玉陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710062

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程.环状结构通常出现在波节附近,其半径小于1/8波长;在一个包络波周期内,结构经历建立、稳定、消失3个阶段,结构形貌具有稳定性.环状空化结构... 详细信息

利用高速摄影和图像分析技术研究频率为40 kHz超声清洗槽中产生的环状空化泡聚集结构的演化过程.环状结构通常出现在波节附近,其半径小于1/8波长;在一个包络波周期内,结构经历建立、稳定、消失3个阶段,结构形貌具有稳定性.环状空化结构存在气泡的输运现象,且在气泡主聚集区内有小泡团形成后向环内溢出,随后消失成离散的空化泡或泡核再次进入气泡输运循环.环状结构大小和气泡聚集区随时间小幅振荡变化,且存在结构整体旋转现象,主要取决于主声场和气泡间次级辐射场的共同作用.基于双气泡模型分析环状结构形成的物理机制,发现主声场是导致气泡形成环状聚集的控制因素.基于环链状模型分析了结构稳定性,通过数值计算得到了类环形结构等效势分布,且声压越高的地方等效势越高,此处气泡越易聚集.驱动声场越强,环链结构可能越完整,但是,声压过高导致高数密度的气泡聚集也可能破坏气泡的环状聚集稳定性进而演化成其他类型泡群结构.理论分析结果与实验现象具有很好的一致性.

关键词：超声空化环状气泡结构等效势能稳定性

管柱型近周期声子晶体点缺陷结构的大尺寸压电超声换能器

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物理学报 2023年第9期72卷 243-250页

作者：林基艳林书玉榆林学院信息工程学院榆林719000 陕西师范大学陕西省超声学重点实验室西安710119

大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小,振幅分布不均匀,严重影响系统的性能和可靠性.为了改善大尺寸超声振动系统性能,可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制,但在对横向振动抑制的... 详细信息

大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小,振幅分布不均匀,严重影响系统的性能和可靠性.为了改善大尺寸超声振动系统性能,可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制,但在对横向振动抑制的同时,该结构会对换能器机械强度和工作带宽等性能参数造成不利的影响.针对这一问题,本文提出利用管柱型近周期声子晶体点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化的新思路.该方法不仅可以利用构造的固/气二维近周期声子晶体结构的点缺陷模式,获得极低的能量损耗,有效提高系统辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度;也可以利用管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射,使得换能器在管柱柱高较低的条件下产生禁带,在有效抑制横向振动的同时,大幅拓宽换能器系统的工作带宽,增强系统的稳定性和机械强度,降低加工成本.仿真结果证明了优化的有效性.

关键词：横向振动大尺寸压电超声换能器性能管柱型近周期声子晶体点缺陷结构

基于传输矩阵法的任意变厚度环型压电超声换能器

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物理学报 2023年第5期72卷 216-225页

作者：董宜雷陈诚林书玉陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西省超声重点实验室西安710119

变厚度环型径向振动压电超声换能器可以实现阻抗变换、能量集中,具有辐射面积大、全指向性等优点,在功率超声、水声等领域被广泛应用.由于求解复杂变厚度金属圆环径向振动的波动方程比较困难,本文使用传输矩阵法将变厚度金属圆环的径向... 详细信息

变厚度环型径向振动压电超声换能器可以实现阻抗变换、能量集中,具有辐射面积大、全指向性等优点,在功率超声、水声等领域被广泛应用.由于求解复杂变厚度金属圆环径向振动的波动方程比较困难,本文使用传输矩阵法将变厚度金属圆环的径向振动转化为N个等厚度金属圆环径向振动的叠加,得到了任意变厚度金属薄圆环径向振动的等效电路图、共振频率方程和位移放大系数表达式,分析了锥型、幂函数型、指数型、悬链线型金属圆环的位移放大系数与几何尺寸的关系.在此基础上,推导了由任意变厚度金属圆环和等厚度压电圆环复合而成的压电超声换能器径向振动的等效电路和共振频率方程.为了验证理论结果的正确性,使用有限元软件进行仿真,所得一阶、二阶的共振频率和位移放大系数的数值解与理论解符合较好.本研究给出了任意变厚度金属圆环径向振动的普适解,为设计和优化径向压电超声换能器提供了理论指导.

关键词：环型压电超声换能器径向振动传输矩阵法等效电路

新型柱孔式模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统

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应用声学 2023年第4期42卷 667-673页

作者：林基艳林书玉榆林学院信息工程学院榆林719000 陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710119

为了改善基于螺旋槽结构和斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统存在的结构复杂、扭转分量较小等问题,论文提出了基于新型柱孔式复合变幅杆的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统,并利用有限元法和数据分析对其进行了仿真分... 详细信息

为了改善基于螺旋槽结构和斜槽结构的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统存在的结构复杂、扭转分量较小等问题,论文提出了基于新型柱孔式复合变幅杆的模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统,并利用有限元法和数据分析对其进行了仿真分析。结果表明,引入新型柱孔式复合变幅杆的系统的输出端面的剪切应力、旋转角度得到了大幅提升,能够有效地提高纵-扭振动的转换效率。

关键词：螺旋槽结构斜槽结构模式转换型纵-扭复合模态超声振动系统新型柱孔式复合变幅杆

基于声子晶体异质位错结结构的大尺寸楔形变幅杆的优化设计

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陕西师范大学学报（自然科学版） 2022年第1期50卷 117-124页

作者：林基艳林书玉陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西西安710119 榆林学院信息工程学院陕西榆林719000

针对大尺寸楔形变幅杆辐射面振幅分布不均匀、放大系数较小的问题,采用近周期声子晶体异质位错结结构设计了振幅分布均匀、放大系数较大的新型变幅杆。利用有限元软件COMSOL对优化前、后的变幅杆进行了仿真分析,结果表明:近周期声子晶... 详细信息

针对大尺寸楔形变幅杆辐射面振幅分布不均匀、放大系数较小的问题,采用近周期声子晶体异质位错结结构设计了振幅分布均匀、放大系数较大的新型变幅杆。利用有限元软件COMSOL对优化前、后的变幅杆进行了仿真分析,结果表明:近周期声子晶体异质位错结结构能有效抑制大尺寸楔形变幅杆的横向振动,大幅提高辐射面纵向振幅分布均匀度,增加放大系数。该方法为大尺寸楔形变幅杆的优化设计提供了新思路。

关键词：大尺寸楔形变幅杆近周期声子晶体异质位错结位移分布均匀度放大系数

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压电陶瓷薄圆片振子的厚度剪切振动

压电与声光 1994年第2期16卷 33-36,41页

作者：林书玉陕西师范大学应用声学研究所

本文研究了切向极化医电陶瓷簿圆片的厚度剪切振动，即扭转振动。利用压电方程及运动方程，推出了振子的机电等放电路，得出了振子扭转振动的输入电阻抗，并推出了其共振及反共振频率方程。由于振子的扭转振动与其截面形状有关，因此，... 详细信息

本文研究了切向极化医电陶瓷簿圆片的厚度剪切振动，即扭转振动。利用压电方程及运动方程，推出了振子的机电等放电路，得出了振子扭转振动的输入电阻抗，并推出了其共振及反共振频率方程。由于振子的扭转振动与其截面形状有关，因此，本文提出了振子的截面扭转系数的概念，并给出了实心及空心圆盘的截面扭转系数。本文理论对于扭转振动换能器设计理论的研究，以及压电陶瓷振子振动模式的系列研究具有一定的指导意义。

关键词：剪切振动扭转振动压电陶瓷振子