弯曲振动压电超声换能器机电耦合模型的研究

摘要

压电超声换能器是上世纪发展起来的一种新型装置,能够实现能量转换和运动传递。压电超声换能器凭借独有的特点引起了世界范围的研究热潮,被广泛应用于现代工业生产、航空航天以及人们的日常生活中。但在实际应用中却受到诸多约束,尤其是压电超声换能器有效机电耦合系数较低,也就是说,压电超声换能器有较大一部分能量以电能的形式存储在压电陶瓷之中,引起换能器的能量使用率比较低,极大地制约了压电超声换能器的发展与应用。目前国内外还没有对压电超声换能器有效机电耦合系数展开详细地研究,无法有效地提高换能器的能量利用率以及解决换能器优化设计的问题。因此,本文针对指数型变截面夹心式弯曲振动压电超声换能器有效机电耦合系数进行研究,对压电超声换能器进行结构优化设计,从本质上提高压电超声换能器的能量利用率。
　　首先,本文基于振动学和压电学等课程知识,将压电超声换能器等效为两端自由的指数型变截面压电金属复合梁,根据Timoshenko梁理论对压电超声换能器弯曲振动模型进行求解,推导出换能器固有频率和振型函数。通过对压电超声换能器结构进行有限元模态分析,验证弯曲振动模型。其次,在求解得到指数型变截面压电超声换能器弯曲振动模型的基础上,根据压电方程与能量法原理建立换能器机电等效图,得到压电超声换能器机电耦合模型,求解换能器的有效机电耦合系数。通过有限元谐响应分析对换能器机电耦合模型进行验证。基于以上研究成果,研究在压电超声换能器总体尺寸以及压电陶瓷尺寸保持不变的条件下,压电陶瓷位置改变对压电超声换能器有效机电耦合系数的影响。本文利用二次插值方法对换能器进行优化,得到压电陶瓷的比较合理位置,进而获得压电超声换能器比较合理的结构尺寸。
　　根据解析模型与仿真分析结果,选取具有代表性结构尺寸的压电超声换能器制作实验样机,采用多普勒测振仪对压电超声换能器振动特性进行测试,采用安捷伦阻抗分析仪对压电超声换能器阻抗特性进行测试。通过实验测试数据与解析模型计算结果及有限元仿真结果对比分析,验证指数型变截面夹心式压电超声换能器弯曲振动模型和机电耦合模型的正确性。

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第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.2 压电超声换能器概述

1.3 压电超声换能器研究发展

1.4 压电超声换能器研究中存在的问题

1.5 主要研究内容

第2章 压电超声换能器弯曲振动模型

2.1 引言

2.2 压电超声换能器结构设计

2.3 压电超声换能器材料选择

2.4 压电超声换能器弯曲振动模型

2.5 本章小结

第3章 弯曲振动压电超声换能器机电耦合模型

3.1 引言

3.2 压电方程与机电等效图

3.3 有效机电耦合系数

3.4 机电耦合特性分析

3.5 本章小结

第4章 弯曲振动压电超声换能器结构优化设计

4.1 引言

4.2 压电超声换能器解析模型验证

4.3 压电超声换能器结构优化设计

4.4 本章小结

第5章 弯曲振动压电超声换能器实验研究

5.1 引言

5.2 实验样机与实验装置

5.3 一阶弯曲振动压电超声换能器特性测试

5.4 二阶弯曲振动压电超声换能器特性测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

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