一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 108536963 A(43)申请公布日 2018.09.14

(21)申请号 201810316900.5(22)申请日 2018.04.10

(71)申请人 哈尔滨理工大学

地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学

府路52号(72)发明人 高桂丽　王傲　石德全　李大勇　(74)专利代理机构 哈尔滨市伟晨专利代理事务

所(普通合伙) 23209

代理人 李晓敏(51)Int.Cl.

G06F 17/50(2006.01)B06B 1/06(2006.01)

权利要求书3页 说明书7页 附图4页

CN 108536963 A()发明名称

一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法(57)摘要

一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，属于超声换能器设计领域。本发明技术

一、计算压电陶瓷片的端面面积、前后盖板要点：

的端面面积；二、计算压电陶瓷片的阻抗、前后盖板的阻抗；三、计算电陶瓷片、前后盖板的波数；四、计算前后盖板的长度；五、计算拉应力，剪应力，压应力；六、计算预应力螺栓通孔的直径的取值范围，确定直径的值；七、计算螺栓头高度的取值范围，确定高度值；八、计算螺栓头的边长的取值范围，确定边长值；九、确定绝缘套管的内、外直径及长度，电极片的数量、内、外直径及厚度，选择绝缘套管及电极片的材料；十、对所设计的换能器进行数值模拟，并进行优化。本发明适用于空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计。

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1.一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其特征在于，它包括预应力螺栓(1)、后盖板(2)、绝缘套管(3)、电极片(4)、压电陶瓷片(5)、前盖板(6)；

所述预应力螺栓(1)带有圆柱形通孔，预应力螺栓(1)带有正六边形螺栓头；所述后盖板(2)的内、外直径与压电陶瓷片(5)的内、外直径相等；所述绝缘套管(3)的外直径与后盖板(2)的内直径相等，内直径与预应力螺栓(1)的大径相等，绝缘套管(3)的长度根据整体设计而定；所述电极片(4)的内、外直径与压电陶瓷片的内、外直径相等，厚度根据实际设计而定，电极片(4)位于压电陶瓷片与压电陶瓷片之间以及压电陶瓷片与前后盖板之间；压电陶瓷片(5)为偶数片，所有压电陶瓷片(5)的尺寸相同，所述前盖板(6)的外直径与压电陶瓷片(5)的外直径相等；预应力螺栓(1)用于将后盖板(2)、电极片(4)、压电陶瓷片(5)和前盖板(6)连接在一起，绝缘套管(3)套装在预应力螺栓(1)上，位于后盖板(2)、电极片(4)及压电陶瓷片(5)与预应力螺栓(1)之间；

定义所述一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的预应力螺栓的大径d4、预应力螺栓的小径d5、预应力螺栓通孔的直径d6、螺栓头的边长a、螺栓头的高度h、后盖板的内直径和压电陶瓷片的内直径均为d2、后盖板的外直径和前盖板的外直径均为d1、后盖板的长度l4、压电陶瓷片的内直径d2、压电陶瓷片的外直径d1、压电陶瓷片的厚度l1、前盖板的内直径d3、前盖板的长度l2；

一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法按照如下步骤确定：步骤一、设压电陶瓷片的端面面积为S1，前盖板的端面面积为S2，后盖板的端面面积为S4，则：

给定d1、d2、d3时，利用(1)式即可求出S1、S2、S4；

步骤二、设压电陶瓷片的阻抗为Z1、密度为ρ纵向声速为C1，前盖板的阻抗为Z2、密度为1、ρ纵向声速为C2，后前盖板的阻抗为Z4、密度为ρ纵向声速为C4，则：2、4、

给定ρC1、ρC2、ρC4，再由求出的S1、S2、S4，利用(2)式即可求出Z1、Z2、Z4；1、2、4、

步骤三、设压电陶瓷片的波数为k1，前盖板的波数为k2，后盖板的波数为k4，设计频率为f，则：

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由给定的C1、C2、C4、f，利用(3)式即可求出k1、k2、k4；步骤四、设压电陶瓷的片数为n，则：

给定n、l1，再由求出的k1、k2、k4、Z1、Z2、Z4，利用(4)式即可求出l4、l2；步骤五、设预应力螺栓所受拉应力为F，剪应力为Q，压应力为Fbs，压电陶瓷单位面积所受预紧力为ξ，则：

F＝Q＝Fbs＝S1ξ     (5)给定ξ，再由求出的S1，利用(5)式即可求出F、Q、Fbs；步骤六、设预应力螺栓的螺纹牙高为δ，预应力螺栓材料的许用拉应力为[σ]，则：

给定δ、d4、[σ]，再由求出的F，利用(6)式即可得到d6的取值范围，从而确定d6的值；步骤七、设预应力螺栓的许用剪应力为为[τ]，则：

给定[τ]，再由求出的Q，利用(7)式即可得到h的取值范围，从而确定h的值；步骤八、设预应力螺栓的许用压应力为[σ则：bs]，

给定[σ再由求出的Fbs，确定的d6，利用(8)式即可得到a的取值范围，从而确定a的bs]，值；

步骤九、由以上设计结果确定绝缘套管的内、外直径及长度，电极片的数量、内、外直径及厚度，并对绝缘套管及电极片的材料进行选择；

步骤十、对所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器进行数值模拟，对设计进行优化。2.根据权利要求1所述的一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其特征在于，所述预应力螺栓(1)的材料选择40Cr、后盖板(2)的材料选择45号钢、压电陶瓷片(5)的材料选择PZT8、前盖板(6)的材料选择铝合金。

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3.根据权利要求2所述的一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其特征在于，所述预应力螺栓(1)的通孔的直径d6为20mm、大径d4为27mm、螺栓头的边长a为20mm、螺栓头的高度h为8mm。

4.根据权利要求3所述的一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其特征在于，所述后盖板(2)的内直径d2为30mm、外直径d1为60mm、长度l4为36mm。

5.根据权利要求4所述的一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其特征在于，所述压电陶瓷片(5)的片数n为2、内直径d2为30mm、外直径d1为60mm、厚度l1为10mm。

6.根据权利要求5所述的一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其特征在于，所述前盖板(6)的内直径d3为25mm、外直径d1为60mm、长度l2为49mm。

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一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法

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技术领域

[0001]本发明涉及一种压电陶瓷超声换能器的设计方法，具体涉及一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，属于超声换能器设计领域。背景技术

[0002]超声换能器是工作在超声频域中将电能转化为超声波或者将外界超声波转化为电能的能量转换装置。超声换能器可分为压电超声换能器、磁致伸缩超声换能器、电动超声换能器、电磁超声换能器等。夹心式压电超声换能器是利用压电效应或逆压电效应从而实现电能与声能转换的器件，通常也被称作压电振子。它由压电陶瓷片、金属前后盖板、电极片、预应力螺栓和绝缘套管等组成。夹心式压电陶瓷超声换能器具有电声转换效率高、结构简单等优点，而且压电陶瓷材料来源广泛，所以夹心式压电陶瓷超声换能器在功率超声技术领域得到了广泛应用。[0003]目前，夹心式压电陶瓷超声换能器多为实心结构，在一些特殊的应用场合往往要受其结构的，而空心超声换能器的应用会更加灵活，如在超声加工中领域，空心超声换能器更有利于对设备和工件进行冷却；在铝熔体处理领域，空心超声换能器更容易与其它装置复合应用。然而，空心超声换能器的设计缺少相关数学模型，而且没有完整的理论体系，为此，亟待提出了一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法。发明内容

[0004]在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。[0005]鉴于此，本发明的目的是空心超声换能器的设计缺少相关数学模型，而且没有完整的理论体系的问题，以及实心压电陶瓷超声换能器在一些特殊的应用场合往往要受其结构的的问题；进而提出了一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法。[0006]本发明所采取的方案为：一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，空心夹心式压电陶瓷超声换能器包括预应力螺栓、后盖板、绝缘套管、电极片、压电陶瓷片、前盖板；

[0007]所述预应力螺栓带有圆柱形通孔，预应力螺栓带有正六边形螺栓头；所述后盖板的内、外直径与压电陶瓷片的内、外直径相等；所述绝缘套管的外直径与后盖板的内直径相等，内直径与预应力螺栓的大径相等，绝缘套管的长度根据整体设计而定；所述电极片的内、外直径与压电陶瓷片的内、外直径相等，厚度根据实际设计而定，电极片位于压电陶瓷片与压电陶瓷片之间以及压电陶瓷片与前后盖板之间；压电陶瓷片为偶数片，所有压电陶瓷片的尺寸相同，所述的前盖板的外直径与压电陶瓷片的外直径相等；预应力螺栓用于将后盖板、电极片、压电陶瓷片和前盖板连接在一起，绝缘套管套装在预应力螺栓上，位于后

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盖板、电极片及压电陶瓷片与预应力螺栓之间；

[0008]定义所述一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的预应力螺栓的大径d4、预应力螺栓的小径d5、预应力螺栓通孔的直径d6、螺栓头的边长a、螺栓头的高度h、后盖板的内直径d2、后盖板的外直径d1、后盖板的长度l4、压电陶瓷片的内直径d2、压电陶瓷片的外直径d1、压电陶瓷片的厚度l1、前盖板的内直径d3、前盖板的外直径d1、前盖板的长度l2；[0009]一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法按照如下步骤确定：[0010]步骤一、设压电陶瓷片的端面面积为S1，前盖板的端面面积为S2，后盖板的端面面积为S4，则：

[0011]

[0012]

给定d1、d2、d3时，利用(1)式即可求出S1、S2、S4；[0013]步骤二、设压电陶瓷片的阻抗为Z1、密度为ρ纵向声速为C1，前盖板的阻抗为Z2、1、密度为ρ纵向声速为C2，后前盖板的阻抗为Z4、密度为ρ纵向声速为C4，则：2、4、

[0014]

[0015]

给定ρC1、ρC2、ρC4，再由求出的S1、S2、S4，利用(2)式即可求出Z1、Z2、Z4；1、2、4、[0016]步骤三、设压电陶瓷片的波数为k1，前盖板的波数为k2，后盖板的波数为k4，设计频率为f，则：

[0017]

[0018][0019]

由给定的C1、C2、C4、f，利用(3)式即可求出k1、k2、k4；

步骤四、设压电陶瓷的片数为n，则：

[0020]

给定n、l1，再由求出的k1、k2、k4、Z1、Z2、Z4，利用(4)式即可求出l4、l2；

[0022]步骤五、设预应力螺栓所受拉应力为F，剪应力为Q，压应力为Fbs，压电陶瓷单位面积所受预紧力为ξ，则：

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[0021]

CN 108536963 A[0023][0024][0025]

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F＝Q＝Fbs＝S1ξ   (5)给定ξ，再由求出的S1，利用(5)式即可求出F、Q、Fbs；步骤六、设预应力螺栓的螺纹牙高为δ，预应力螺栓材料的许用拉应力为[σ]，则：

[0026]

[0027][0028][0029][0030][0031][0032][0033]

给定δ、d4、[σ]，再由求出的F，利用(6)式即可得到d6的取值范围，从而确定d6的值；步骤七、设预应力螺栓的许用剪应力为为[τ]，则：

给定[τ]，再由求出的Q，利用(7)式即可得到h的取值范围，从而确定h的值；步骤八、设预应力螺栓的许用压应力为[σ则：bs]，

给定[σ再由求出的Fbs，确定的d6，利用(8)式即可得到a的取值范围，从而确定abs]，

的值；

步骤九、由以上设计结果确定绝缘套管的内、外直径及长度，电极片的数量、内、外

直径及厚度，并对绝缘套管及电极片的材料进行选择；[0035]步骤十、对所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器进行数值模拟，对设计进行优化。

[0036]进一步地：所述预应力螺栓(1)的材料选择40Cr、后盖板(2)的材料选择45号钢、压电陶瓷片(5)的材料选择PZT8、前盖板(6)的材料选择铝合金。[0037]进一步地：所述的预应力螺栓(1)的通孔的直径d6为20mm、大径d4为27mm、螺栓头的边长a为20mm、螺栓头的高度h为8mm。[0038]进一步地：所述的后盖板(2)的内直径d2为30mm、外直径d1为60mm、长度l4为36mm。[0039]进一步地：所述的压电陶瓷片(5)的片数n为2、内直径d2为30mm、外直径d1为60mm、厚度l1为10mm。

[0040]进一步地：所述的前盖板(6)的内直径d3为25mm、外直径d1为60mm、长度l2为49mm。[0041]本发明所达到的效果为：

[0042]依照本发明的设计方法所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器的谐振频率为21.1kHz，误差为5.5％，所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器波的轴向性较好，所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器在频率为20kHz时获得最大振幅，从模拟结果来看所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器合理。消除了实心夹心式压电陶瓷超声换能器在一些特殊的应用场合受限的问题，设计的空心超声换能器的应用更加灵活，如在超声加工中领域，所设计的空心超声换能器更有利于对设备和工件进行冷却；在铝熔体处理领域，所设计的空心超声换能器更容易与其它装置复合应用。附图说明

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[0034]

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图1是一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的结构的示意图；图2是预应力螺栓头的示意图；

图3是空心夹心式压电陶瓷超声换能器模态分析模拟结果图中的总位移云图；图4是空心夹心式压电陶瓷超声换能器模态分析模拟结果图中的总位移矢量云

图；

[0047]

图5是空心夹心式压电陶瓷超声换能器谐响应分析模拟结果图中的频率、振幅响

应曲线图。

具体实施方式

[0048]为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些条件，并且这些条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

[0049]在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。[0050]具体实施方式：参见图1和图2，本实施方式的一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其中空心夹心式压电陶瓷超声换能器包括预应力螺栓1、后盖板2、绝缘套管3、电极片4、压电陶瓷片5、前盖板6；

[0051]所述预应力螺栓1的大径为d4，小径为d5，预应力螺栓1带有圆柱形通孔，通孔的直径为d6，预应力螺栓1带有正六边形螺栓头，螺栓头的边长为a，高度为h；[0052]所述后盖板2的内、外直径与压电陶瓷片5的内、外直径相等，内直径为d2，外直径为d1，后盖板2的长度为l4；

[0053]所述绝缘套管3的外直径与后盖板2的内直径相等，内直径与预应力螺栓1的大径相等，绝缘套管3的长度根据整体设计而定；[00]所述电极片4的内、外直径与压电陶瓷片5的内、外直径相等，厚度根据实际设计而定，电极片4位于压电陶瓷片与压电陶瓷片之间以及压电陶瓷片与前后盖板之间；[0055]所述压电陶瓷片5的内直径为d2，外直径为d1，厚度为l1，不同压电陶瓷片的尺寸相同，且压电陶瓷片为偶数片；

[0056]所述前盖板6的外直径与压电陶瓷片5的外直径相等，外直径为d1，内直径为d3，长度为l2；

[0057]所述一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的尺寸，即所述的预应力螺栓1的大径d4、预应力螺栓1的小径d5、预应力螺栓1通孔的直径d6、螺栓头的边长a、螺栓头的高度h、后盖板2的内直径d2、后盖板2的外直径d1、后盖板2的长度l4、压电陶瓷片5的内直径d2、压电陶瓷片5的外直径d1、压电陶瓷片5的厚度l1、前盖板6的内直径d3、前盖板6的外直径d1、前盖板6的长度l2是按照如下步骤确定的：[0058]步骤一、设压电陶瓷片的端面面积为S1，前盖板的端面面积为S2，后盖板的端面面

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积为S4，则：

[0059]

[0060]

给定d1、d2、d3时，利用(1)式即可求出S1、S2、S4；[0061]步骤二、设压电陶瓷片的阻抗为Z1、密度为ρ纵向声速为C1，前盖板的阻抗为Z2、1、密度为ρ纵向声速为C2，后前盖板的阻抗为Z4、密度为ρ纵向声速为C4，则：2、4、

[0062]

[0063]

给定ρC1、ρC2、ρC4，再由求出的S1、S2、S4，利用(2)式即可求出Z1、Z2、Z4；1、2、4、[00]步骤三、设压电陶瓷片的波数为k1，前盖板的波数为k2，后盖板的波数为k4，设计频率为f，则：

[0065]

[0066][0067]

由给定的C1、C2、C4、f，利用(3)式即可求出k1、k2、k4；

步骤四、设压电陶瓷的片数为n，则：

[0068]

给定n、l1，再由求出的k1、k2、k4、Z1、Z2、Z4，利用(4)式即可求出l4、l2；

[0070]步骤五、设预应力螺栓所受拉应力为F，剪应力为Q，压应力为Fbs，压电陶瓷单位面积所受预紧力为ξ，则：[0071]F＝Q＝Fbs＝S1ξ   (5)[0072]给定ξ，再由求出的S1，利用(5)式即可求出F、Q、Fbs；[0073]步骤六、设预应力螺栓的螺纹牙高为δ，预应力螺栓材料的许用拉应力为[σ]，则：

[0074]

[0069]

[0075]

给定δ、d4、[σ]，再由求出的F，利用(6)式即可得到d6的取值范围，从而确定d6的值；

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步骤七、设预应力螺栓的许用剪应力为为[τ]，则：

给定[τ]，再由求出的Q，利用(7)式即可得到h的取值范围，从而确定h的值；步骤八、设预应力螺栓的许用压应力为[σ则：bs]，

给定[σ再由求出的Fbs，确定的d6，利用(8)式即可得到a的取值范围，从而确定abs]，

的值；

步骤九、由以上设计结果确定绝缘套管的内、外直径及长度，电极片的数量、内、外

直径及厚度，并对绝缘套管及电极片的材料进行选择；[0083]步骤十、对所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器进行数值模拟，对设计进行优化。

[0084]实施例：

[0085]下面结合实施例对具体实施方式做进一步的说明，参见附图1和2，给定d1＝60mm、d2＝30mm、d3＝25mm、d4＝27mm、l1＝10mm、n＝2、δ＝0.866mm、ξ＝3500N/cm2、f＝20kHz，空心夹心式压电陶瓷超声换能器的后盖板材料选择45号钢，压电陶瓷片材料选择PZT8，前盖板

3333

材料选择铝合金，则ρC1＝2.95×103m/s、ρC2＝5.07×1＝7.6×10kg/m、2＝2.7×10kg/m、

33

103m/s、ρC4＝5.17×103m/s，预应力螺栓材料选择40Cr，则[σ]＝4＝7.8×10kg/m、585.8MPa、[τ]＝221.1MPa、[σbs]＝8.6MPa；[0086]将给定的d1、d2、d3代入(1)式中，即可求得S1＝2.12×10-3m2、S2＝2.82×10-3m2、S4＝2.12×10-3m2；[0087]将给定的ρC1、ρ2、C2、ρ4、C4及求出的S1、S2、S4代入(2)式中，即可求得Z1＝1、473.29、Z2＝38788.33、Z4＝86095.77；[0088]将给定的C1、C2、C4、f代入(3)式中，即可求得k1＝42.6、k2＝24.68、k4＝24.3；[00]将给定的n、l1及求出的k1、k2、k4、Z1、Z2、Z4代入(4)式中，即可求得l4＝36mm、l2＝49mm；

[0090]将给定的ξ及求出的S1代入(5)式中，即可求得F＝Q＝Fbs＝7.42×104N；[0091]将给定的δ、d4、[σ]及求出的F代入(6)式中，即可得到d6≤21.84mm，取d6＝20mm；[0092]将给定的[τ]及求出的Q代入(7)式中，即可得到h≥3.73mm，取h＝8mm；[0093]将给定的[σ求出的Fbs及确定的d6代入(8)式中，即可得到a≥18mm，取a＝20mm；bs]、

[0094]根据以上设计参数及结构，电极片的材料选择铍青铜，片数为3片，内直径为30mm，外直径为60mm，厚度为0.5mm，绝缘套管的材料选择硅橡胶，内直径为27mm，外直径为30mm，长度为57.5mm；

[0095]定义频率误差为δ、模拟频率值为fa，则：[0096]δ＝(|fa-f|)/f   (9)

[0097]对所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器进行数值模拟，模拟结果见附图3、附图4和附图5，从附图3中可看到所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器的谐振频率为

[0082]

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21.1kHz，根据(9)式可知，频率误差为5.5％，从附图4中可看到所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器波的轴向性较好，从附图5中可看到所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器在频率为20kHz时获得最大振幅，从模拟结果来看所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器合理。

[0098]虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

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说　明　书　附　图

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图4

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图5

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