本书内容主要基于本人承担的多项国家自然科学基金项目所取得的关于超声换能器、超声变幅杆以及超声振动系统方面的最新研究成果。全书共分十六章，分别对超声振动系统以及超声波传播的基本理论、各种不同的功率超声振动系统的基本原理及设计方法进行了系统深入的理论和实验研究，同时结合超声学发展的最新理论和技术发展。作者希望，通过本书的学习，能使读者基本掌握有关超声换能器振动系统的基本理论分析、设计方法和生产工艺，以便为从事超声技术的研究和开发奠定系统的理论基础和工程设计技术。
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1、1980-1984，山东师范大学物理系，本科
2、1984-1987，陕西师范大学应用声学研究所，硕士研究生
1997-2002，东京工业大学精密工学研究所，博士研究生1987年至今陕西师范大学应用声学研究所，物理学与信息技术学院作为第一作者及通讯作者发表论文300余篇，其中SCI检索200余篇。Lin Shuyu, Fu Zhiqiang, Zhang Xiaoli,Wang Yong,Hu Jing, Radial vibration and ultrasonic field of along tubular ultrasonic radiator, Ultrasonics sonochemistry, 20(5),2013.9,1161-1167. SCI一区（6.6）.中国声学学会常务理事，中国声学学会功率超声专业委员会主任，西安声学学会理事长，陕西省声学学会副理事长。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 超声换能器简介 1
1.2 功率超声振动系统简介 4
1.3 超声换能器的性能参数 8
1.3.1 发射换能器和接收换能器共同要求的性能指标 8
1.3.2 对发射换能器特别要求的性能指标 10
1.3.3 对接收换能器特别要求的性能指标 11
1.4 超声换能器的研究方法 13
1.5 超声换能器的电声四端网络 15
1.5.1 电声四端网络研究方法 16
1.5.2 电声四端网络的一般关系式 16
1.5.3 发射型压电换能器的四端网络 17
第2章 质点振动学基础 20
2.1 单自由度质点振动系统的自由振动 20
2.2 单自由度质点振动系统的阻尼振动 22
2.3 单自由度质点振动系统的强迫振动 24
2.3.1 振动速度振幅的频率特性及机械谐振 25
2.3.2 振动系统的功率频率特性曲线 27
2.3.3 振动系统位移振幅的频率特性曲线 28
2.3.4 振动系统加速度振幅的频率特性曲线 31
2.3.5 振动控制原理 32
2.4 机械系统的力电类比 33
第3章 弹性体的振动 36
3.1 均匀截面细棒的纵向振动 37
3.1.1 均匀截面细棒纵向振动的基本理论 37
3.1.2 均匀截面细棒和电波传输线的类比以及细棒纵向振动的等效电路 40
3.1.3 均匀截面细棒纵向振动的固有频率修正 41
3.1.4 有限尺寸短圆柱及厚圆盘的纵向与径向耦合振动 43
3.1.5 几种特殊振动体的振动分析 47
3.1.6 矩形六面体的三维耦合伸缩振动 49
3.2 均匀截面细棒的弯曲振动 53
3.2.1 棒的横振动方程 54
3.2.2 不同边界条件下棒的弯曲振动分析 57
3.3 弹性薄板的弯曲振动 59
3.3.1 薄圆板的弯曲振动 59
3.3.2 矩形薄板的弯曲振动 63
3.4 弹性薄圆板的径向振动 68
3.4.1 各向同性弹性薄圆盘的径向振动 68
3.4.2 弹性薄圆环的径向振动 73
第4章 固体中的弹性波 79
4.1 固体弹性介质的基本特性 79
4.1.1 固体弹性介质中的应力和应力分量 80
4.1.2 固体弹性介质中的应变和应变分量 81
4.1.3 弹性体内应力与应变之间的关系—广义胡克定律 82
4.2 固体介质中的弹性波 84
4.2.1 固体弹性介质中的波动方程 84
4.2.2 固体介质中的纵波和横波 85
4.3 表面波 87
4.3.1 表面波的特性及类型 89
4.3.2 表面波的产生—叉指换能器 91
4.3.3 叉指换能器的等效电路 93
第5章 弹性波的传播 98
5.1 弹性波的反射和折射 98
5.1.1 声波在两种非固体介质交界面处的反射和折射 99
5.1.2 平面纵波从流体介质入射到固体介质 101
5.1.3 声波入射到固液、固固介质的分界面上 101
5.1.4 声波通过介质层的反射与透射 102
5.2 声波的叠加、干涉、驻波及衍射 103
5.3 声波的散射 105
5.4 声波的吸收 107
5.4.1 声吸收的研究历史 108
5.4.2 声吸收的种类 109
5.4.3 实际介质的声吸收 110
5.4.4 声吸收理论 111
第6章 固体超声变幅杆 114
6.1 超声变幅杆的基本理论 115
6.1.1 变截面杆纵振动的波动方程 116
6.1.2 不同种类变幅杆放大特性的比较研究 119
6.2 指数型超声变幅杆的理论设计 124
6.3 性能可调的纵向振动圆锥型超声变幅杆 128
6.3.1 理论分析 129
6.3.2 电阻抗和压电陶瓷材料对变幅杆共振频率和放大系数的影响 132
6.3.3 变幅杆振动性能的数值模拟 136
6.3.4 实验验证 137
6.3.5 本节小结 139
6.4 性能可调的纵向振动阶梯型超声变幅杆 140
6.4.1 理论分析 140
6.4.2 电阻抗对阶梯型超声变幅杆性能的影响 143
6.4.3 压电材料的位置对变幅杆性能的影响 147
6.4.4 实验验证 150
6.4.5 本节小结 152
6.5 性能可调的复合型超声变幅杆 152
6.5.1 性能可调的复合型超声变幅杆的设计理论 152
6.5.2 电阻抗对复合型超声变幅杆性能的影响 155
6.5.3 压电陶瓷圆环位置对复合型超声变幅杆振动性能的影响 158
6.5.4 压电陶瓷圆环的厚度对复合型超声变幅杆振动性能的影响 160
6.5.5 实验研究 162
6.5.6 本节小结 165
6.6 扭转振动超声变幅杆的设计理论 165
6.6.1 变幅杆的截面极惯性矩按照规律变化 166
6.6.2 变幅杆的截面极惯性矩按照规律变化 168
6.6.3 变幅杆的截面极惯性矩按照规律变化 169
6.7 纵扭复合模态超声变幅杆的设计理论 170
6.7.1 纵扭复合模态指数型超声变幅杆的振动特性 170
6.7.2 实验验证 174
6.7.3 本节小结 175
6.8 具有纵扭复合振动模态的复合型超声变幅杆 176
6.8.1 纵扭复合振动模态变幅杆的共振频率方程 177
6.8.2 实验验证 180
6.9 纵向超声变幅杆横向振动的频率修正 181
6.9.1 纵向振动超声变幅杆横向振动的频率修正理论 181
6.9.2 实验验证及结论 184
6.10 大尺寸圆形截面超声变幅杆的近似设计理论 185
6.10.1 大截面变幅杆的近似设计理论 186
6.10.2 理论计算及实验验证 189
6.11 大尺寸矩形断面超声变幅杆的设计理论 189
6.11.1 基本理论 189
6.11.2 实验及结论 193
6.12 大尺寸矩形截面复合超声变幅杆的解析分析理论 194
6.12.1 大尺寸矩形截面复合型超声变幅杆的设计理论 194
6.12.2 实验及结论 198
6.13 超声变幅杆的连接与夹持 200
6.14 超声变幅杆的耦合工具头 201
6.15 超声变幅杆的设计和测量 202
6.15.1 变幅杆类型及所用材料的选择 202
6.15.2 设计方法 203
6.15.3 变幅杆的测量 204
第7章 纵向夹心式压电陶瓷换能器 207
7.1 概论 207
7.2 压电材料的基本性质 214
7.2.1 压电材料发展概况 214
7.2.2 压电材料种类 215
7.3 纵向夹心式压电陶瓷换能器的理论分析及设计 219
7.3.1 变截面细棒的一维纵振动方程及其解 220
7.3.2 压电陶瓷晶堆的机电状态方程及其等效电路 224
7.3.3 纵向夹心式压电陶瓷换能器的机电等效电路及其特性分析 226
第8章 扭转振动功率超声换能器 235
8.1 切向极化压电陶瓷细长棒的扭转振动 235
8.1.1 扭转振动的机械方程式 236
8.1.2 电路状态方程式 237
8.1.3 机电等效电路图 238
8.1.4 切向极化压电陶瓷细棒扭转振动的频率方程 240
8.2 切向极化压电陶瓷薄圆环的扭转振动 240
8.2.1 振子的机械运动方程式 241
8.2.2 压电陶瓷薄圆片振子的电路状态方程式 242
8.2.3 振子的机电等效图 243
8.2.4 压电陶瓷薄圆环振子厚度剪切振动的频率方程 245
8.3 切向极化压电陶瓷晶堆的扭转振动 245
8.4 夹心式压电陶瓷扭转振动换能器的设计理论 248
8.4.1 夹心式压电陶瓷扭转振动换能器的频率方程 248
8.4.2 讨论 252
8.4.3 负载对换能器共振频率方程的影响 253
8.4.4 换能器各部分材料参数的选取及计算 253
8.4.5 切向极化压电元件的制作工艺技术 254
8.4.6 本节小结 254
8.5 振动模态转换扭转振动换能器 255
8.5.1 斜槽式纵-扭复合模式超声换能器的等效电路 255
8.5.2 纵-扭复合振动传振杆中斜槽的倾斜角度对系统共振频率的影响 259
8.5.3 实验 260
8.5.4 本节小结 261
第9章 弯曲振动超声换能器 262
9.1 叠片式弯曲振动压电陶瓷换能器 263
9.2 有限尺寸矩形叠板压电陶瓷振子的弯曲振动 266
9.2.1 矩形薄板绕y轴的弯曲振动 268
9.2.2 矩形薄板绕x轴的弯曲振动 268
9.2.3 压电陶瓷矩形薄板弯曲振动的共振频率 269
9.2.4 弯曲振动矩形薄板的几种特殊振动模式 270
9.2.5 实验验证 271
9.3 夹心式弯曲振动压电陶瓷换能器 272
9.3.1 夹心式弯曲振动压电陶瓷换能器的波动方程分析法 272
9.3.2 夹心式弯曲振动压电陶瓷换能器的近似设计理论 276
9.3.3 考虑压电效应夹心式弯曲振动换能器的波动方程分析法 280
9.4 模式转换型弯曲振动换能器 285
9.4.1 纵向换能器与细棒组成的弯曲振动换能器 286
9.4.2 纵向振动换能器与圆盘组成的模式转换型弯曲振动换能器 288
9.4.3 纵向夹心式压电陶瓷换能器与矩形薄板组成的模式转换型弯曲振动换能器 294
9.5 压电陶瓷片与金属盘(等厚度)组成的弯曲振动换能器 301
9.5.1 运动方程 301
9.5.2 边界条件 303
9.5.3 频率方程 304
9.5.4 数值计算及模拟仿真结果 306
9.5.5 本节小结 309
9.6 均匀厚度复合圆盘弯曲振动换能器的优化设计 309
9.6.1 均匀厚度复合圆盘弯曲振动换能器振动特性的数值模拟 309
9.6.2 均匀厚度复合圆盘弯曲振动换能器的辐射声场 315
9.6.3 实验测试 321
9.6.4 本节小结 324
9.7 压电陶瓷片与金属盘(变厚度)组成的弯曲振动换能器 325
9.7.1 线性渐变厚度复合圆盘弯曲振动换能器的优化设计 325
9.7.2 实验测试 332
9.7.3 本节小结 334
第10章 径向夹心式压电陶瓷换能器 336
10.1 概述 336
10.2 纵向极化的径向夹心式压电陶瓷换能器 339
10.2.1 弹性圆盘的径向振动 339
10.2.2 弹性薄圆环的径向振动 343
10.2.3 纵向极化压电陶瓷实心圆盘的径向振动 347
10.2.4 纵向极化压电陶瓷薄圆环的径向振动 353
10.2.5 厚度极化的径向复合超声换能器—“压电陶瓷圆盘+金属圆环” 359
10.2.6 纵向极化径向振动压电陶瓷复合换能器—“压电陶瓷圆环+金属圆环” 364
10.2.7 径向夹心式压电陶瓷换能器—内质量块为金属圆盘 369
10.2.8 径向夹心式压电陶瓷换能器—内质量块为金属圆环 372
10.2.9 具有纵向极化压电陶瓷晶堆的径向复合换能器 376
10.3 径向极化的径向夹心式压电陶瓷换能器 383
10.3.1 径向极化的压电陶瓷圆形振子的径向振动 383
10.3.2 金属弹性长圆管及薄圆环的径向振动研究 402
10.3.3 径向极化的径向夹心式压电陶瓷圆管型换能器 409
10.3.4 径向极化的径向夹心式压电陶瓷圆环型换能器 412
10.4 变截面径向夹心式压电陶瓷换能器 415
10.4.1 变厚度金属薄圆环(径向变幅器)的径向振动 416
10.4.2 变厚度径向夹心式压电陶瓷换能器 422
第11章 级联式压电陶瓷复合换能器 423
11.1 概述 423
11.2 纵向级联式压电陶瓷复合换能器 424
11.2.1 纵向级联式压电陶瓷换能器的理论基础 425
11.2.2 变截面弹性细棒的一维纵振动方程及等效电路 429
11.2.3 压电陶瓷晶堆的纵向振动及等效电路 434
11.2.4 纵向级联式压电陶瓷复合换能器的分析—忽略损耗和负载 441
11.2.5 纵向级联式压电陶瓷复合换能器的分析—考虑损耗和负载 453
11.3 径向级联式压电陶瓷换能器 470
11.3.1 径向级联式压电陶瓷换能器的机电等效电路和频率方程(厚电极) 470
11.3.2 压电陶瓷圆环的几何尺寸和位置对换能器性能参数的影响 476
11.3.3 径向级联式压电陶瓷复合换能器的有限元分析及实验研究 480
11.3.4 具有径向极化压电陶瓷晶堆的径向复合换能器(薄电极) 483
11.3.5 具有径向极化压电陶瓷晶堆的径向复合换能器与传统的径向复合换能器的性能对比 494
第12章 基于声子晶体周期结构的功率超声振动系统 497
12.1 基于声子晶体周期结构的耦合振动控制法 500
12.1.1 相关理论 501
12.1.2 基于声子晶体结构的耦合振动控制法的研究思路 506
12.2 大尺寸纵向夹心式压电陶瓷换能器的优化设计 507
12.2.1 基于点缺陷二维正方晶格近周期声子晶体结构的大尺寸纵向夹心式压电陶瓷换能器的设计 509
12.2.2 管柱型近周期声子晶体点缺陷结构的大尺寸纵向振动压电超声换能器的设计 515
12.3 基于大尺寸变幅杆的功率超声换能器系统的优化设计 522
12.3.1 基于近周期声子晶体结构的大尺寸楔形变幅杆的设计 524
12.3.2 基于近周期声子晶体异质位错结的大尺寸楔形变幅杆的设计 526
12.3.3 异质位错结参数对变幅杆振动系统性能的影响 529
12.4 基于大尺寸工具头的功率超声换能器系统的优化设计 533
12.4.1 基于大尺寸二维工具头的功率超声换能器系统的优化设计 533
12.4.2 基于大尺寸三维工具头的功率超声换能器系统的优化设计 545
12.4.3 基于大尺寸圆柱型工具头的功率超声换能器系统的优化设计 561
12.5 基于一维声子晶体周期结构的径向振动功率超声换能器 566
12.5.1 换能器的理论分析和实验验证 566
12.5.2 振动性能分析 572
12.6 斜槽型纵-扭复合模态超声振动系统的优化设计 576
12.6.1 斜槽型纵-扭复合振动系统的设计 576
12.6.2 基于周期性扇形孔结构的斜槽型纵-扭复合振动系统的设计 579
12.7 本章总结 587
第13章 功率超声压电陶瓷换能器的电学及声学匹配 589
13.1 压电陶瓷换能器概述 589
13.2 压电陶瓷材料参数、压电陶瓷振子的边界条件及压电方程 590
13.2.1 压电陶瓷材料及其参数 590
13.2.2 压电振子的四类边界条件 594
13.2.3 压电振子的四类压电方程 595
13.2.4 压电材料的其他重要参数 597
13.3 压电陶瓷振子的振动模式 599
13.3.1 压电陶瓷振子的振动模式概述 599
13.3.2 压电陶瓷振子的伸缩振动模式 603
13.3.3 压电陶瓷振子的厚度剪切振动模式 605
13.3.4 压电陶瓷振子的弯曲振动模式 606
13.4 压电陶瓷振子的谐振特性 606
13.5 压电陶瓷振子的集中参数等效电路 608
13.5.1 压电陶瓷振子的等效电阻的情况 608
13.5.2 压电陶瓷振子的等效电阻的情况 609
13.6 压电陶瓷超声换能器的动态特性 609
13.6.1 压电陶瓷超声换能器的动态等效电路及导纳圆图 610
13.6.2 压电陶瓷超声换能器的最大响应频率 611
13.6.3 有源二端网络与无源二端网络的功率传输问题 612
13.7 功率超声压电陶瓷超声换能器的电匹配 614
13.7.1 压电换能器调谐匹配的基本原理 616
13.7.2 电匹配电路对换能器振动系统的影响 622
13.7.3 几种常见的换能器匹配电路分析 626
13.7.4 小结 629
13.8 压电陶瓷超声换能器的声学匹配 629
13.8.1 检测超声以及医学诊断超声换能器(小信号)的声阻抗匹配 630
13.8.2 功率超声以及医学超声治疗换能器(大信号)的声阻抗匹配 633
第14章 超声换能器的测量 647
14.1 功率超声换能器性能参数的小信号测试方法 647
14.1.1 导纳圆图法 648
14.1.2 传输线路法 649
14.1.3 M曲线法 650
14.1.4 低值压电换能器的测量 652
14.1.5 测量相位角的方法 653
14.2 换能器大功率工作状态下的性能参数测量 654
14.2.1 夹心式压电陶瓷换能器的瓦特计测试方法 654
14.2.2 功率特性曲线法(直接法) 656
14.2.3 振动系统振动位移及其分布的测量 657
14.2.4 声功率、声强和声场中空化强度的测量 659
14.3 功率超声振动系统前后振速比的简易测试方法 664
14.3.1 测试原理 665
14.3.2 实验测试 666
14.3.3 小结 667
14.4 功率超声换能器电声效率及辐射声功率的近似测量方法 668
14.4.1 概述 668
14.4.2 高频电功率计法的基本测试原理 668
14.4.3 谐振-失谐法 670
14.4.4 关于换能器辐射阻抗的一些考虑 672
14.4.5 实验 673
14.4.6 讨论及结论 674
第15章 超声技术的原理及其应用 676
15.1 概述 676
15.2 超声技术的发展史 678
15.3 自然界中的超声 680
15.4 超声的各种效应及其作用机理 681
15.5 超声的应用概述 682
15.5.1 超声波作为探测、计量、通信的信号和信息 682
15.5.2 超声波作为加工处理的能量 682
15.6 超声在海洋中的应用 683
15.6.1 声呐 683
15.6.2 声呐技术发展史 685
15.6.3 声呐的应用 687
15.7 超声在机械制造方面的应用 692
15.7.1 超声探伤 692
15.7.2 超声测量 693
15.7.3 超声用于研究物质结构 694
15.7.4 超声加工 694
15.7.5 超声焊接 694
15.7.6 超声马达 698
15.7.7 超声悬浮 699
15.7.8 超声清洗 700
15.8 超声在电子技术中的应用 703
15.8.1 在雷达中的应用 703
15.8.2 在电子计算机中的应用 704
15.9 超声在食品工业中的应用 704
15.9.1 加速细化、乳化和扩散过程 704
15.9.2 超声凝聚及快速沉淀 704
15.9.3 超声加速化学反应 704
15.9.4 超声提取生物中的有效成分 705
15.10 超声在农业上的应用 705
15.10.1 农作物种子处理和诱变 706
15.10.2 在植物保护方面的应用 706
15.10.3 在农业工程和农田水利方面的应用 706
15.10.4 在其他方面的应用 707
15.11 超声在石油工业中的应用 707
15.11.1 超声在石油开采中的应用 707
15.11.2 超声除蜡 708
15.11.3 超声原油脱水 708
15.11.4 超声乳化 708
15.12 超声在环保业中的应用 708
15.12.1 超声除尘和净化水质 708
15.12.2 超声防止锅垢 709
15.13 超声在日常生活中的应用 709
15.13.1 超声波加湿器 709
15.13.2 超声波洗衣机 709
15.13.3 超声波沐浴器 710
15.13.4 超声波牙刷 710
15.13.5 超声波洗碗机 710
15.14 超声在医学中的应用 710
15.14.1 超声诊断 711
15.14.2 超声治疗 717
15.15 超声在生物学中的应用 728
15.15.1 超声对细菌的作用 728
15.15.2 超声对小动物的作用 729
15.15.3 超声破坏细胞 729
15.16 超声在化学工业中的应用—声化学 729
第16章 空化 731
16.1 流体动力空化 732
16.1.1 流体动力空化的发展历史及分类 732
16.1.2 流体动力空化理论、危害及应用 734
16.1.3 超空泡技术及其应用 737
16.2 超声空化 740
16.2.1 超声空化的发展史 741
16.2.2 影响超声空化的因素 742
16.2.3 超声空化的主要研究内容 743
16.2.4 超声空化的研究进展 743
16.2.5 超声空化的应用 744
参考文献 750
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