圆板型压电振子机械调频方法的研究

摘要

近些年，由于压电陶瓷具有的正逆压电效应，能够实现电能、机械能、声能等多种类型能量之间的相互转化，已经被广泛用于制作成各种用途的换能器。所以对压电换能器的研究得到了国内外的高度重视。不同的换能器根据应用场合的不同都有相应的技术指标，而谐振频率是各类换能器共同的也是最为重要的技术参数。只有在谐振状态下，换能器能量的转换效率才能达到最大。谐振频率的大小又影响各类换能器的工作性能。对于某些特定的换能器，如果能够调节它的谐振频率，那么将扩大该换能器的应用范围。因此，有必要研究如何调节压电陶瓷振子的谐振频率。
　　根据弹簧质量振动系统谐振频率的基本模型，决定其谐振频率的主要参数有两个，即刚度和质量，因此本文将从刚度和质量两个方面入手，开展调节振子谐振频率的实现方法的研究。
　　决定压电振子刚度特性的因素除振子本身的材料、构型及尺寸等参数外，约束条件是最重要的因素。从频率调节的技术可实现性角度考虑，约束条件中的约束刚度又取决于约束强度和约束位置。根据这一原理设计了能够调节刚度的结构，并建立有限元模型。经过研究，改变约束的大小即为让模型有初始应力，然后进行有预应力的模态分析，得到当前对应的谐振频率和振型，记录结果画出曲线，得到谐振频率的变化趋势。再加工实物进行实验研究，验证仿真结果的正确性。
　　考虑到振动系统本身结构部分的质量保持不变，因此采用附加质量的方法调节振动系统的质量。为了实现质量的连续性变化，提出了附加液体的方法。在这一基础上选用膜盒这一元件。将压电振子粘在膜盒表面，带动膜盒及其腔内液体一起震动。而由于膜盒具有受压膨胀的特点，通过调节注射到它内部液体的质量，即可改变整个振动系统的质量。因此又设计了符合要求的液体流道以及注射器的夹具及推进装置，同时用压力表检测系统内部的压力。最后得到谐振频率与质量变化之间的关系以及谐振频率与系统内部压力之间的关系。
　　通过以上两种方法的仿真分析及实验研究，得出了以下几点结论。压电振子的谐振频率随其约束强度的增大而增大，约束强度的增大又会阻碍压电振子的自由振动，当约束强度增大到一定值时，压电振子的谐振频率就会下降；压电振子的谐振频率随附加质量的增大而减小，而膜盒内水压达到150KPa后，膜盒的刚度急剧增大，远大于其质量的增加，继续增加液体质量，压电振子的谐振频率就会增大。

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第1章 绪 论

1.1课题的来源及本文的研究背景和意义

1.2调频对各类换能器的意义

1.3国内外研究现状

1.4本文的主要研究内容

第2章 机械调频方法的确立

2.1引言

2.2压电振子的振动方式

2.3压电换能器的特征频率

2.4有限单元法求解谐振频率

2.5仿真分析两种方法的可行性

2.6本章小结

第3章 调节压电振子刚度的仿真分析及实验研究

3.1引言

3.2调节压电振子刚度的结构设计

3.3调节压电振子刚度的仿真与结果分析

3.4调节压电振子刚度的实验研究与结果分析

3.5本章小结

第4章 调节压电振子附加质量的实验研究

4.1引言

4.2调节压电振子附加质量的结构设计

4.3调节压电振子附加质量的实验研究及结果分析

4.4本章小结

结论

参考文献

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致谢