径向及径—扭复合振动模式夹心式压电超声换能器研究

摘要

本文基于夹心式压电超声换能器的设计原理，提出了径向振动夹心式压电超声换能器的概念。建立了换能器的径向振动模等效电路，导出了其径向共振频率方程，并对换能器进行了有限元模态分析和实验研究。在此基础上，进一步提出和研究了一种斜槽式径—扭复合振动模式夹心式压电超声换能器，给出了其机电类比等效电路及共振频率方程。作为其应用实例，将之应用于超声马达实践，并试制出了径—扭模式转换型超声马达样机。 本文研究成果：讨论了压电圆环与相同尺寸压电圆盘的一次泛频之比随压电圆环内外半径比的变化关系。结果表明，当压电圆环内外半径之比趋于1时，压电圆环的第二阶(及以上)共振频率趋向无穷大。讨论了对于不同的泊松比，环形振子的径向和扭转共振频率方程的第一阶振动根随圆环内外半径比的变化关系。给出了均匀厚度钢和铝盖板分别与PZT-4压电晶片径向复合换能器的前三阶径向共振位移理论分布曲线；通过实验测定了径向振动夹心式压电超声换能器共振基频附近的等效电路参数及有效机电耦合系数Keff。结果表明，理论和实验符合较好。成功地试制出了径—扭模式转换型超声马达样机。

目录

文摘

英文文摘

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第1章前言

1.1超声换能器简介

1.2压电换能器概述

1.3夹心式压电超声换能器简介

1.4本文研究内容及意义

第2章压电陶瓷圆片的径向振动模

2.1压电陶瓷薄圆盘的径向振动模

2.1.1柱坐标系中的基本方程

2.1.2基本方程的化简

2.1.3机电等效图

2.1.4导纳及频率方程

2.2压电陶瓷薄圆环的径向振动模

2.2.1柱坐标系中的基本方程

2.2.2机电等效图

2.2.3导纳及频率方程

2.3模态分析及实验

2.4本章小结

第3章弹性薄圆环的径向振动模

3.1均匀厚度弹性薄圆环的径向振动

3.1.1柱坐标系中的波动方程

3.1.2径向振动解

3.1.3机电等效图

3.1.4频率方程

3.2变厚度弹性薄圆环的径向振动

3.2.1锥形剖面薄圆环的径向振动

3.2.2指数形剖面薄圆环的径向振动

3.3模态分析及实验

3.4本章小结

第4章弹性薄圆环的扭转振动模

4.1均匀厚度弹性薄圆环的扭转振动

4.1.1柱坐标系中的波动方程

4.1.2扭转振动解

4.1.3机电等效图

4.1.4频率方程

4.2均匀厚度弹性薄圆盘的扭转振动

4.3锥形剖面薄圆环的扭转振动

4.4指数形剖面薄圆环的扭转振动

4.5扭转振动模态分析

4.6本章小结

第5章径向振动夹心式压电超声换能器

5.1径向复合夹心式压电超声换能器

5.1.1结构特点

5.1.2机电等效图

5.1.3频率方程

5.1.4位移节圆

5.2模态分析及实验

5.3本章小结

第6章径—扭复合振动模式夹心式压电超声换能器

6.1概述

6.2机电等效图

6.3频率方程

6.4模态分析及实验

6.5本章小结

第7章径—扭模式转换型超声马达

7.1超声马达发展概述

7.2超声马达的特点及分类

7.3超声马达基本原理

7.4径—扭模式转换型超声马达

7.5本章小结

总结

参考文献

附录A

附录B

致谢

攻读博士学位期间科研成果