超声系统辐射声场的研究

　　1 引言

　　随着科学技术的发展，近年来以超声技术为特征的压电超声驱动技术得到了迅速的发展。其中超声悬浮技术是超声功率应用的又一新的领域[1，2]。超声波悬浮是利用超声波振动产生的声场作用于物体形成悬浮间隙的一种现象，分为驻波悬浮和近场悬浮[3]两种。超声波悬浮成为近年来国内外专家的研究热点之一，研究的重点主要是驻波悬浮，并取得了重大成就;利用近场悬浮构造各种悬浮输送装置，在生产线上对某些有特殊要求的物体进行非接触悬浮输送[4]，目前还没有完全得到应用，本文将对用于近场悬浮的超声系统的声场分布采用有限元与边界元联合求解，为更深入的解释近场声悬浮现象提供理论依据。

　　2 有限元和边界元联合求解的基本理论

　　目前，对于声场分析问题大多数采用有限元和边界元相结合的方法进行模拟。有限元振动分析软件ANSYS和边界元声学计算软件SYSNOISE具有振动及声学预测功能，既含有有限元技术又含有边界元技术，能够用于处理一般复杂弹性结构耦合振动声学问题中。ANSYS 软件利用有限元法对有限尺寸的实际结构进行精确建模，可以计算换能器内部的应力分布、模态和谐振频率以及结构表面的位移分布，其网格前处理、结构振动分析功能十分强大，非常成熟。但是，ANSYS里的有限元法在进行声场分析时，由于不能把声传播介质取得无限大，故在远场辐射问题上分析精度受限。SYSNOISE软件使用边界元法，把待解决的声学问题仅归到边界上有限单元求解问题，使问题求解范围降低一维。然而，该软件自身没有网格划分前处理功能，并且有限元分析功能有限。

　　因此，可以应用有限元和边界元结合分析的方法，将两套软件交替使用，利用各自的优点解决振动声学问题。采用ANSYS和SYSNOISE进行声学分析的流程，如图1所示。

　　3 超声系统有限元分析

　　选取SB-20-1型焊接机的超声系统作为研究对象。超声系统结构，如图2所示。包括三个部分：一个超声换能器、一只圆柱形变幅杆和一只矩形变幅杆。在ANSYS中采用的单元类型为：超声换能器的前盖板、后盖板和螺栓材料为45钢，选结构单元为solid45。两片厚度均为5mm的压电陶瓷片(PZT4)，为耦合场单元solid5。与前盖板相联的圆柱形变幅杆以及之后的矩形变幅杆材料为硬铝，为solid45单元。如图3(a)所示为用不同单元在ANSYS建立的超声系统有限元模型，如表1所示，有限元模型中用到的各种材料特性参数。

　　超声系统谐响应分析重点是换能器的压电效应分析，是一种结构-电场耦合分析，需要用到的压电陶瓷的材料特性有介电常数(或叫电容率)、压电矩阵和弹性系数矩阵。定义压电材料的极化方向为 Y 轴，其相关参数如下[5]。