稀土超磁致伸縮換能器

第1章 緒論

1.1 常用的換能器材料

1.1.1 壓電材料

1.1.2 壓電高聚物

1.1.3 復(fù)合材料

1.1.4 磁致伸縮材料

1.1.5 金屬玻璃材料

1.2 稀土超磁致伸縮材料及其應(yīng)用

1.2.1 稀土超磁致伸縮材料

1.2.2 在水聲學(xué)上的應(yīng)用

1.2.3 在微控制領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.2.4 電聲學(xué)上的應(yīng)用

1.2.5 在聲發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.2.6 大功率超聲頻換能器

1.3 彎張換能器的發(fā)展簡史及其特點

1.3.1 彎張換能器的早中期發(fā)展

1.3.2 各型彎張換能器的特點

1.3.3 Ⅳ型和Ⅶ型彎張換能器的特點比較

1.4 發(fā)展中的換能器設(shè)計方法

1.4.1 解析解法

1.4.2 波動力學(xué)法和等效電路法

1.4.3 有限元法

1.4.4 邊界元法

1.4.5 有限元和邊界元法對比

第2章 稀土超磁致伸縮棒的工作特性

2.1 稀土超磁致伸縮棒的特性

2.1.1 不同壓力下稀土棒的磁致伸縮特性

2.1.2 不同壓力下的do與偏磁場之間的關(guān)系

2.1.3 材料的楊氏模量

2.1.4 材料的其他參數(shù)

2.2 稀土超磁致伸縮棒的高效應(yīng)用方法

2.2.1 計算方法

2.2.2 算例

2.3 稀土超磁致伸縮棒的等效電路

2.3.1 Terfenol棒的等效電路

2.3.2算例

第3章 T0Ⅱpilz換能器的設(shè)計理論

3.1 集中參數(shù)設(shè)計法

3.2 傳輸矩陣設(shè)計法

3.2.1 基本原理

3.2.2 考慮預(yù)應(yīng)力螺栓的影響

3.2.3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.3 諧振頻率附近處的等效電路

第4章 稀土超磁致伸縮換能器的有限元設(shè)計理論

4.1 稀土超磁致伸縮棒的有限元模型及設(shè)計理論

4.1.1 單元插值函數(shù)

4.1.2 應(yīng)變

4.1.3 單元中的能量關(guān)系

4.1.4 動態(tài)方程

4.2 殼體的有限元模型

4.2.1 平面矩形單元的剛度矩陣

4.2.2 平板矩形彎曲單元的剛度矩陣

4.2.3 矩形薄殼單元的剛度矩陣

4.3 彎張換能器中塊體的有限元模型

4.4 彎張換能器的性能參數(shù)

4.4.1 共振頻率

4.4.2 反共振頻率

4.4.3 電阻抗

4.4.4 有效機電耦合系數(shù)也

第5章 Tonpilz換能器的設(shè)計及實驗研究

5.1 Tonpilz換能器的設(shè)計

5.2 Tonpilz換能器中Terfen01棒的分割

5.3 Tonpilz換能器偏磁場及預(yù)應(yīng)力的施加

5.4 有限元法分析Tonpilz換能器的振動模態(tài)

5.5 Tonpilz換能器性能測試

5.5.1 換能器的性能測試

5.5.2 設(shè)計結(jié)果與測試誤差分析

第6章 換能器的流固耦合方程及其輻射聲場的計算

6.1 流固耦合有限元動力學(xué)方程的建立

6.1.1 亥姆霍茲積分方程的應(yīng)用

6.1.2 換能器在水中振動方程的建立

6.2 輻射聲場指向性的計算

第7章 彎張換能器的設(shè)計理論

7.1 ALGOR有限元軟件簡介

7.2 彎張殼體的振動模態(tài)

7.2.1 呼吸模態(tài)

7.2.2 呼吸模態(tài)與彎張殼體的幾何尺寸之間的變化關(guān)系

7.3 換能器的振動模態(tài)

7.3.1 呼吸模態(tài)

7.3.2 彎張換能器尺寸與同相振動諧振頻率的關(guān)系

7.4 換能器裝配預(yù)應(yīng)力的計算

7.5 換能器入水深度與偏磁場之間的關(guān)系

7.5.1 入水深度與變化的預(yù)應(yīng)力之間的關(guān)系

7.5.2 入水深度與偏磁場的關(guān)系

7.6 換能器的靜態(tài)電感

7.7 SYSNOISE有限元軟件簡介

7.7.1 SYSNC)ISE的功能

7.7.2 SYSN()ISE的分析方法

7.7.3 SYSN()ISE一般分析步驟

7.7.4 SYSN()ISE的后處理

7.8 換能器的水下振動及其輻射特性

7.8.1 呼吸模態(tài)頻率

7.8.2 換能器聲輻射特性

7.9 換能器的功率極限

7.9.1 電功率極限

7.9.2 機械功率極限

7.9.3 熱功率極限

第8章 彎張換能器的實驗研究

8.1 彎張殼體的彈性測試

8.1.1 測試裝置

8.1.2 測試結(jié)果

8.1.3 實驗與理論計算的比較

8.1.4 誤差分析

8.2 彎張殼體振動模態(tài)測試

8.2.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

8.2.2 實驗裝置簡介

8.2.3 實驗結(jié)果

8.3 彎張換能器的振動模態(tài)測試

8.3.1 未裝夾上下蓋板時

8.3.2 裝夾上下蓋板后

8.4 諧振頻率附近處的性能測試結(jié)果

8.4.1 換能器諧振頻率、阻抗特性

8.4.2 換能器的發(fā)射特性、機械品質(zhì)因數(shù)Qm、有效耦合系數(shù)ke

8.4.3 換能器發(fā)射聲源級隨輸入電流的關(guān)系

8.4.4 換能器的電聲效率與輸入電功率的關(guān)系

8.4.5 結(jié)果分析

8.5 換能器聲輻射特性

8.6 稀土超磁致伸縮換能器的測量系統(tǒng)介紹

第9章 用ANSYS軟件設(shè)計稀土換能器

9.1 ANSYS有限元軟件簡介

9.1.1 軟件簡介

9.1.2 ANSYS軟件應(yīng)用于聲學(xué)及換能器領(lǐng)域解決的具體問題

9.2 ANSYS方法及工作過程簡介

9.2.1 換能器機電耦合問題的理論基礎(chǔ)

9.2.2 ANSYS有限元軟件用于換能器分析的基本理論

9.2.3 ANSYS處理器

9.2.4 ANSYS軟件一般分析步驟

9.3 壓磁一壓電比擬法

9.4 稀土超聲頻圓環(huán)型換能器的設(shè)計

9.4.1 稀土換能器結(jié)構(gòu)

9.4.2 理論計算及實驗測試

9.4.3 與同頻率壓電陶瓷換能器尺寸比較

參考文獻

附錄

《稀土超磁致伸縮換能器》是一本介紹稀土超磁致伸縮大功率換能器的設(shè)計理論和設(shè)計方法的專著?！断⊥脸胖律炜s換能器》共分9章。第1章是緒論，主要介紹了常用的換能器材料、現(xiàn)代彎張換能器的設(shè)計方法及各型彎張換能器的特點;第2章分析了稀土超磁致伸縮材料的工作特性，導(dǎo)出了使稀土棒高效工作時沿棒軸徑向均勻切割最小份數(shù)的計算公式和等效電路;第3~2章，論述了稀土超磁致伸縮大功率換能器的設(shè)計理論，并對研制出的VII和Tonpilz型換能器的性能作了測試和分析。《稀土超磁致伸縮換能器》中先后用到了ALGOR、SYSNOISE和ANSYS這三種有限元計算軟件，在相關(guān)部分都相應(yīng)作了簡單介紹，并在第9章中重點介紹了ANSYS在設(shè)計換能器中的應(yīng)用。

《稀土超磁致伸縮換能器》可供從事聲換能器研究工作的科技工作者、專業(yè)技術(shù)人員以及大專院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

稀土超磁致伸縮材料在聲頻和超聲技術(shù)方面也有廣闊的應(yīng)用前景。例如用該材料可制造超大功率超聲換能器。過去的超聲換能器主要是用壓電陶瓷（PZT）材料來制造。它僅能制造小功率（≤2．0kW）的超聲波換能器，國外已用稀土超磁致伸縮材料來制造出超大功率（6—25kW）的超聲波換能器。超大功率超聲波技術(shù)可產(chǎn)生低功率超聲技術(shù)所不能產(chǎn)生的新物理效應(yīng)和新的用途，如它可使廢舊輪胎脫硫再生，可使農(nóng)作物大幅度增產(chǎn)，可加速化工過程的化學(xué)反應(yīng)。有重大的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益；用該材料制造的電聲換能器，可用于波動采油，可提高油井的產(chǎn)油量達20%~100%，可促進石油工業(yè)的發(fā)展；用該材料制造的薄型（平板型）喇叭，振動力大，音質(zhì)好，高保真，可使樓板、墻體、桌面、玻璃窗振動和發(fā)音，可作水下音樂、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用該材料可制造反噪聲與噪聲控制，反振動與振動控制系統(tǒng)。將一個咖啡杯人力反噪聲控制器安裝在與引擎推進器相連接的部件內(nèi)，使它與噪聲傳感器聯(lián)接，可使運載工具的噪聲降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振動與減振器應(yīng)用到運載工具，如汽車等，可使汽車振動減少到令人舒服的程度。

用稀土超磁致伸縮材料制造的微位移驅(qū)動器，可用于機器人、自動控制、超精密機械加工、紅外線、電子束、激光束掃描控制、照相機快門、線性電機、智能機翼、燃油噴射系統(tǒng)、微型泵、閥門、傳感器等等。

有專家認(rèn)為，稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用可誘發(fā)一系列的新技術(shù)，新設(shè)備，新工藝。它是可提高一個國家競爭力的材料，是21世紀(jì)戰(zhàn)略性功能材料。

和傳統(tǒng)超磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸縮材料是佼佼者，它具有下列優(yōu)點：磁致伸縮應(yīng)變λ比純 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比純 N i和 Ni－Co合金高400~800倍；磁致伸縮應(yīng)變時產(chǎn)生的推力很大，直徑約l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸縮時產(chǎn)生約200公斤的推力。能量轉(zhuǎn)換效率（用機電耦合系數(shù) K33表示）高達70%，而 Ni基合金僅有16%，PZT材料僅有40~60%；其彈性模量隨磁場而變化，可調(diào)控；響應(yīng)時間（由施加磁場到產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變λ所需的時間稱響應(yīng)時間）僅百萬分之一秒，比人的思維還快；頻率特性好，可在低頻率（幾十至1000赫茲）下工作，工作頻帶寬；穩(wěn)定性好，可靠性高，其磁致伸縮性能不隨時間而變化，無疲勞，無過熱失效問題。