基于多物理场耦合的夹心式压电换能器优化设计

摘要

针对传统解析法在压电换能器设计中存在适用范围窄、计算繁琐以及结果不精确等缺点,提出了基于Comsol的换能器优化设计.为得到夹心式压电换能器的初步尺寸,笔者基于一维细棒振动和Mason等效电路理论得到了换能器的频率方程和前后振速比公式;结合实际工况选定材料后利用1stOpt对前盖板的隐函数进行求解,设计了换能器的结构参数;基于Comsol Multiphysics的压电耦合模块对设计的换能器进行动力学仿真研究,得到了换能器的特征频率、相应振型以及正反谐振频率、基频频率和最高电导值,从而获得了换能器的节面高度、品质因数以及动态电阻等参数.模拟结果得出换能器相应参数与设计值有一定误差,可利用Comsol优化模块对前后盖板尺寸进行修正.结果表明改进后的换能器频率与设计值误差为0.067％,且节面位于陶瓷晶堆中间位置.该方法可以有效提高换能器的使用性能和缩短研制周期,对压电换能器的优化设计有一定的参考意义.