题目：超声清洗的优化与设计

当声波强度、频率到达一定值时，会导致液体中出现空化效应。而功率超声的诸多应用是以空化效应为基础的，同时空化现象的实验和理论以及应用的研究也备受科学家们所关注。影响空化的因素很多，主要有温度、蒸汽压、气泡半径液体粘滞性、表面张力、外加声压幅值与声压频率等。目前对空化现象的研究主要在理论、实验和应用等方面。空化现象的应用广泛，如超声乳化、超声清洗、医学超声等。2002年，在美国，Taleyarkhan在研究中发现超声空化场中出现了核聚变反应，如果这是真的那么就会为核反应提供一种新的产生方式，同时超声空化的理论研究在未来很有可能引起核反应界一场新的巨变。
（1）从空化泡动力学理论出发得到了空化泡在压缩和膨胀时液体中的压力值，并作了数值模拟。研究发现空化泡在膨胀时和压缩时的液体中压力分布情况有所差异，在膨胀时液体中的压力随空化泡的半径增大而变大，而在压缩时随空化泡的增大而减小，此外液体中压力还与液体中某点距空化泡的距离有关。在膨胀时，当距离增大液体中压力减小，而在空化泡压缩时恰恰相反。此外还与空化泡的初始半径有关。
（2）研究了超声振动系统中换能器的设计理论，主要研究了轴向极化薄圆片叠加构成的压电陶瓷晶堆换能器的共振频率，从压电陶瓷振动理论出发，推导出压电换能器的频率方程，并设计了一种夹心式复合换能器，并借助于ANSYS软件对复合换能器作了数值模拟。得到三组不同尺寸换能器的谐振频率与反谐振频率以及换能器的导纳-频率响应曲线。
（3）在前人的基础上分析了几种提高清洗效果的方法，并对这几种方法做了比较，分析了其优劣性。
（4）设计了一种复频夹心式换能器，通过等效电路图的研究得到了换能器的谐振频率，并运用ANSYS软件对换能器的设计做了数值模拟，得到了半波长以及全波长换能器的振动模态图以及换能器的导纳-频率响应曲线。