摘 要

通过建立雾化器理想数学模型，确定了雾化器的结构尺寸；运用Proe软件建立了雾化器的有限元模型，在Ansys中求解了该雾化器在40～70KHz之间的固有频率和相应幅值。通过尺寸调整和模态分析，确定了其纯拉压振型的固有频率为52898Hz，而设计的喷头的拉压固有频率为55KHz，结果仅相差3.8%；同时测定了法兰及过渡圆弧对雾化器拉压固有频率的影响。结果表明，法兰及过渡圆弧对雾化器的影响可以忽略不计。为确定加载在换能器压电陶瓷上的电压对低频超声雾化喷头幅值的影响，建立了喷头的力电耦合有限单元模型，比较了压电陶瓷在不同大小(40V、60V、80V、100V、120V、140V、160V) 的电压驱动下，喷头雾化面的幅值变化规律。研究结果表明，其端面响应随激励电压的增大而增大，且喷头幅值可达到11μm以上，所以设计喷头的结构满足雾化所需的雾化要求。

关键词：低频；超声雾化器；模态分析；谐响应分析；

ABSTRACT

In this simulation, an ideal mathematical model for an atomizer is built to determine its structure and dimensions; a finite element model is built by using PROE, and it solves the natural frequency and amplitude of the atomizer when it is under 40～70KHz in ANSYS. Through adjusting size and modal analysis, it reaches that the natural frequency of tension and compression mode is 52898Hz, and that of the sprayer is 55KHz,which differ by 3.8%; in the mean time it also tests the influence of flange and arc transition on tension and compression natural frequency of atomizer,which ,as a result,can be ignored . To analyzing the impact of the voltage on piezoelectric ceramic of transducer on amplitude of low frequency ultrasonic atomizer, a electro-elastic  finite element model for sprayer is built,and it compares the amplitude’s change rules of sprayer when piezoelectric ceramic under different voltage(40V、60V、80V、100V、120V、140V、160V). The research indicates that the response of end face is proportional to voltage,and the magnitude can reach more than 11μm so the sprayer meets the requirements for atomization.

Key words：Low frequency；Ultrasonic nebulizer；Modal Analysis；Harmonic Response Analysis；

目 录

第一章 绪论 …………………………………………………………………………1

1.1 雾化器研究的背景和意义 ………………………………………………………1

1.2 雾化器的研究现状 ……………………………………………………………1

1.3 高、低频雾化器的比较 …………………………………………………………9

1.4本文研究的主要目的及意义 ……………………………………………………10

第二章 雾化器的设计内容 ………………………………………………………11

2.1 雾化器的组成和工作原理 ……………………………………………………11

2.2 半波长超声雾化器换能器设计 ………………………………………………14

2.3 半波长超声雾化器阶梯变幅杆设计 ……………………………………………15 2.4 超声雾化器结构设计 ……………………………………………………………16

第三章 超声雾化器有限元分析 …………………………………………………20

3.1 超声雾化器模态分析 ……………………………………………………………20

3.2 超声雾化器谐响应分析 …………………………………………………………24

3.3 基于有限元雾化器结构尺寸对性能参数影响研究 ……………………………25

3.3.1 过渡圆弧半径对雾化器频率影响研究 ……………………………………25

3.3.2 法兰对雾化器频率影响研究 ………………………………………………26 3.4 不同电压对喷头幅值的影响 ……………………………………………………28

结论 ………………………………………………………………………………………32

致谢 ………………………………………………………………………………………33参考文献 ………………………………………………………………………………34

第一章 绪论

1.1 雾化器研究的背景及意义

频率在20Hz 到20000Hz之间，能够引起人类听觉的机械波叫做声波，低于这个频率范围的波叫次声波，高于此频率范围，一直到5×10⁸Hz 的波，叫做超声波^[1]。超声波具有传递波动与能量的双重特性，它的振动能够产生并且传递很大的能量，给予介质粒子提供很大的速度和加速度。超声波具有很好的方向性、反射性和穿透能力，能够在气体、液体及固体媒质中传播，在传播的过程中，产生了各种超声效应，例如机械效应、热效应、化学效应、空化效应^[2]等。

超声喷雾器的主要功能是雾化液体设备所提供的液体，以满足各种不同的需要。常用的雾化的方式有机械雾化喷嘴和压电式超声波雾化两种。传统的机械雾化过程有压力喷射雾化与转子高速度旋转雾化两种。通过高压喷射雾化器雾化的液体，会具有一定动量，在雾化器压力的作用下，在高速旋转喷嘴孔处，在喷孔的反作用力及离心力的作用下，克服了雾化的液体表面的张力和粘度的力，破碎成为雾粒;转子通过高速度的旋转雾化了在空心轴上的雾化转杯里用细的流经管道进入的液体，通过离心力在高速度旋转的雾化器内，接近喷雾器杯内壁，形成成膜，且具有高速度旋转的转子，并且继续向前，直到抛离杯子切割成为小雾粒形成曲线运动。压电式的超声波雾化低频（工作频率为20〜100 kHz）和高频功率超声雾化器（工作频率高于1 MHz）点的精细雾化。理论解释超声波雾化机理主要是毛细波理论和微冲击的理论。高频率的超声雾化细空气雾化加湿器，超声雾化美容，药品吸入治疗等领域。低功率的超声波雾化在生物及农业工程中以及农业植物盆栽方面，得到越来越广泛的应用。