第1章 绪论

1.1 常用的换能器材料

1.1.1 压电材料

1.1.2 压电高聚物

1.1.3 复合材料

1.1.4 磁致伸缩材料

1.1.5 金属玻璃材料

1.2 稀土超磁致伸缩材料及其应用

1.2.1 稀土超磁致伸缩材料

1.2.2 在水声学上的应用

1.2.3 在微控制领域中的应用

1.2.4 电声学上的应用

1.2.5 在声发射技术领域的应用

1.2.6 大功率超声频换能器

1.3 弯张换能器的发展简史及其特点

1.3.1 弯张换能器的早中期发展

1.3.2 各型弯张换能器的特点

1.3.3 Ⅳ型和Ⅶ型弯张换能器的特点比较

1.4 发展中的换能器设计方法

1.4.1 解析解法

1.4.2 波动力学法和等效电路法

1.4.3 有限元法

1.4.4 边界元法

1.4.5 有限元和边界元法对比

第2章 稀土超磁致伸缩棒的工作特性

2.1 稀土超磁致伸缩棒的特性

2.1.1 不同压力下稀土棒的磁致伸缩特性

2.1.2 不同压力下的do与偏磁场之间的关系

2.1.3 材料的杨氏模量

2.1.4 材料的其他参数

2.2 稀土超磁致伸缩棒的高效应用方法

2.2.1 计算方法

2.2.2 算例

2.3 稀土超磁致伸缩棒的等效电路

2.3.1 Terfenol棒的等效电路

2.3.2算例

第3章 T0Ⅱpilz换能器的设计理论

3.1 集中参数设计法

3.2 传输矩阵设计法

3.2.1 基本原理

3.2.2 考虑预应力螺栓的影响

3.2.3 程序实现

3.3 谐振频率附近处的等效电路

第4章 稀土超磁致伸缩换能器的有限元设计理论

4.1 稀土超磁致伸缩棒的有限元模型及设计理论

4.1.1 单元插值函数

4.1.2 应变

4.1.3 单元中的能量关系

4.1.4 动态方程

4.2 壳体的有限元模型

4.2.1 平面矩形单元的刚度矩阵

4.2.2 平板矩形弯曲单元的刚度矩阵

4.2.3 矩形薄壳单元的刚度矩阵

4.3 弯张换能器中块体的有限元模型

4.4 弯张换能器的性能参数

4.4.1 共振频率

4.4.2 反共振频率

4.4.3 电阻抗

4.4.4 有效机电耦合系数也

第5章 Tonpilz换能器的设计及实验研究

5.1 Tonpilz换能器的设计

5.2 Tonpilz换能器中Terfen01棒的分割

5.3 Tonpilz换能器偏磁场及预应力的施加

5.4 有限元法分析Tonpilz换能器的振动模态

5.5 Tonpilz换能器性能测试

5.5.1 换能器的性能测试

5.5.2 设计结果与测试误差分析

第6章 换能器的流固耦合方程及其辐射声场的计算

6.1 流固耦合有限元动力学方程的建立

6.1.1 亥姆霍兹积分方程的应用

6.1.2 换能器在水中振动方程的建立

6.2 辐射声场指向性的计算

第7章 弯张换能器的设计理论

7.1 ALGOR有限元软件简介

7.2 弯张壳体的振动模态

7.2.1 呼吸模态

7.2.2 呼吸模态与弯张壳体的几何尺寸之间的变化关系

7.3 换能器的振动模态

7.3.1 呼吸模态

7.3.2 弯张换能器尺寸与同相振动谐振频率的关系

7.4 换能器装配预应力的计算

7.5 换能器入水深度与偏磁场之间的关系

7.5.1 入水深度与变化的预应力之间的关系

7.5.2 入水深度与偏磁场的关系

7.6 换能器的静态电感

7.7 SYSNOISE有限元软件简介

7.7.1 SYSNC)ISE的功能

7.7.2 SYSN()ISE的分析方法

7.7.3 SYSN()ISE一般分析步骤

7.7.4 SYSN()ISE的后处理

7.8 换能器的水下振动及其辐射特性

7.8.1 呼吸模态频率

7.8.2 换能器声辐射特性

7.9 换能器的功率极限

7.9.1 电功率极限

7.9.2 机械功率极限

7.9.3 热功率极限

第8章 弯张换能器的实验研究

8.1 弯张壳体的弹性测试

8.1.1 测试装置

8.1.2 测试结果

8.1.3 实验与理论计算的比较

8.1.4 误差分析

8.2 弯张壳体振动模态测试

8.2.1 模态分析理论基础

8.2.2 实验装置简介

8.2.3 实验结果

8.3 弯张换能器的振动模态测试

8.3.1 未装夹上下盖板时

8.3.2 装夹上下盖板后

8.4 谐振频率附近处的性能测试结果

8.4.1 换能器谐振频率、阻抗特性

8.4.2 换能器的发射特性、机械品质因数Qm、有效耦合系数ke

8.4.3 换能器发射声源级随输入电流的关系

8.4.4 换能器的电声效率与输入电功率的关系

8.4.5 结果分析

8.5 换能器声辐射特性

8.6 稀土超磁致伸缩换能器的测量系统介绍

第9章 用ANSYS软件设计稀土换能器

9.1 ANSYS有限元软件简介

9.1.1 软件简介

9.1.2 ANSYS软件应用于声学及换能器领域解决的具体问题

9.2 ANSYS方法及工作过程简介

9.2.1 换能器机电耦合问题的理论基础

9.2.2 ANSYS有限元软件用于换能器分析的基本理论

9.2.3 ANSYS处理器

9.2.4 ANSYS软件一般分析步骤

9.3 压磁一压电比拟法

9.4 稀土超声频圆环型换能器的设计

9.4.1 稀土换能器结构

9.4.2 理论计算及实验测试

9.4.3 与同频率压电陶瓷换能器尺寸比较

参考文献

附录

《稀土超磁致伸缩换能器》是一本介绍稀土超磁致伸缩大功率换能器的设计理论和设计方法的专著。《稀土超磁致伸缩换能器》共分9章。第1章是绪论，主要介绍了常用的换能器材料、现代弯张换能器的设计方法及各型弯张换能器的特点;第2章分析了稀土超磁致伸缩材料的工作特性，导出了使稀土棒高效工作时沿棒轴径向均匀切割最小份数的计算公式和等效电路;第3~2章，论述了稀土超磁致伸缩大功率换能器的设计理论，并对研制出的VII和Tonpilz型换能器的性能作了测试和分析。《稀土超磁致伸缩换能器》中先后用到了ALGOR、SYSNOISE和ANSYS这三种有限元计算软件，在相关部分都相应作了简单介绍，并在第9章中重点介绍了ANSYS在设计换能器中的应用。

《稀土超磁致伸缩换能器》可供从事声换能器研究工作的科技工作者、专业技术人员以及大专院校相关专业的师生参考。

稀土超磁致伸缩材料在声频和超声技术方面也有广阔的应用前景。例如用该材料可制造超大功率超声换能器。过去的超声换能器主要是用压电陶瓷（PZT）材料来制造。它仅能制造小功率（≤2．0kW）的超声波换能器，国外已用稀土超磁致伸缩材料来制造出超大功率（6—25kW）的超声波换能器。超大功率超声波技术可产生低功率超声技术所不能产生的新物理效应和新的用途，如它可使废旧轮胎脱硫再生，可使农作物大幅度增产，可加速化工过程的化学反应。有重大的经济、社会和环保效益；用该材料制造的电声换能器，可用于波动采油，可提高油井的产油量达20%~100%，可促进石油工业的发展；用该材料制造的薄型（平板型）喇叭，振动力大，音质好，高保真，可使楼板、墙体、桌面、玻璃窗振动和发音，可作水下音乐、水下芭蕾伴舞的喇叭等。

此外，用该材料可制造反噪声与噪声控制，反振动与振动控制系统。将一个咖啡杯人力反噪声控制器安装在与引擎推进器相连接的部件内，使它与噪声传感器联接，可使运载工具的噪声降低到使旅客感到舒服的程度（≤20dB）以下。反振动与减振器应用到运载工具，如汽车等，可使汽车振动减少到令人舒服的程度。

用稀土超磁致伸缩材料制造的微位移驱动器，可用于机器人、自动控制、超精密机械加工、红外线、电子束、激光束扫描控制、照相机快门、线性电机、智能机翼、燃油喷射系统、微型泵、阀门、传感器等等。

有专家认为，稀土超磁致伸缩材料的应用可诱发一系列的新技术，新设备，新工艺。它是可提高一个国家竞争力的材料，是21世纪战略性功能材料。

和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co合金高400~800倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约l0mm的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力。能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70%，而 Ni基合金仅有16%，PZT材料仅有40~60%；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。