径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性研究

对径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性进行了分析。该换能器由一个厚度极化的压电陶瓷实心圆盘和一个金属圆环在半径方向复合而成。论文首先研究了压电陶瓷圆盘及金属圆环的径向振动,推出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,利用换能器的径向边界条件,得出了径向复合压电陶瓷换能器的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器的共振频率和有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的依赖关系。设计并实际制作了一些径向复合超声换能器,对其径向共振及反共振频率进行了测试,并利用有限元法进行了数值模拟。研究表明,利用文中理论得出的换能器的共振频率与实测值及数值模拟结果基本符合。     

基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

阶梯圆环压电超声换能器径向振动性能的理论研究*

提出了一种阶梯圆环径向振动压电超声换能器,根据力电类比原理建立了阶梯圆环及阶梯圆环换能器的径向振动等效电路,推导了阶梯圆环的径向共振频率方程和位移放大系数,在此基础上进一步推导了换能器的径向共振和反共振频率方程。通过理论推导和有限元仿真模拟分析了阶梯圆环压电超声换能器的径向振动性能。结果表明,增大阶梯圆环中内外环的径向厚度之比K1或减小轴向厚度之比K2,阶梯圆环的一阶径向共振频率减小,二阶径向共振频率增大;在二阶径向共振模式下,K1、K2值在一定范围内阶梯圆环可实现由内向外的径向位移振幅放大;随着压电陶瓷圆环的内半径增大,阶梯圆环压电超声换能器的一阶、二阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振下的有效机电转换系数趋于零;增大阶梯圆环内环的外半径,换能器的一阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振和反共振频率先增大后减小,理论推导与仿真模拟结果符合良好。本文研究结果为阶梯圆环压电超声换能器的工程应用提供理论参考。     

一种新型Cymbal换能器的研究

提出并研究了一种新型的Cymbal换能器.与传统的Cymbal换能器相比,该换能器中的压电陶瓷圆盘由一个金属圆环和压电陶瓷圆盘的径向组合体所代替.论文首先探讨了压电陶瓷圆盘和金属圆环组合体的径向振动,用解析方法得出了其径向振动的机电等效电路.在此基础上,得出了新型Cymbal换能器的机电等效电路,并得出了其共振及反共振...     

径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动

提出了一种圆管式径向复合压电陶瓷换能器,并对其径向振动特性进行了分析。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆管以及金属外圆管组成。利用解析法得出了金属圆管以及具有任意壁厚的径向极化压电陶瓷圆管径向振动的机电等效电路。基于金属圆管与压电圆管的机械边界条件,得出了换能器的六端机电等效电路。在此基础上得出了换能器共振及反共振频率方程的解析表达式,给出了换能器的共振及反共振频率与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法对换能器的径向振动特性进行了模拟及仿真,并与解析结果进行了比较。最后,设计并加工了一些径向复合管式压电陶瓷换能器,利用精密阻抗分析仪对其共振及反共振频率进行了实验测试。研究结果表明,利用解析理论得出的换能器共振及反共振频率与数值模拟结果以及实验测试结果符合很好。      

锥形剖面径向复合超声换能器的机电等效电路

研究了一种锥形剖面径向复合超声换能器。该换能器由一个等截面内金属圆环、一个轴向极化的压电陶瓷圆环和一个锥形剖面外金属圆环沿径向复合而成,且换能器的径向尺寸远大于高度。锥形剖面外金属圆环满足关系式h=h₀r,h₀为厚度变化常数。基于平面应力径向振动理论,推导了换能器的机电等效电路,得到了共振频率方程和反共振频率方程,进而研究了换能器的振动特性。并将理论计算的第1阶、第2阶径向共振频率和反共振频率与数值仿真结果相比较,二者结果一致。研究表明:锥形剖面换能器第1阶、第2阶径向共振频率、反共振频率、有效机电耦合系数不仅与换能器各部分的材料、径向几何尺寸有关,还与h₀有关。h₀越大,第1阶径向共振频率、反共振频率越大,有效机电耦合系数先增大后减小。与等截面相比,锥形剖面换能器沿径向向外辐射声波,辐射面积更大,辐射声功率更高,指向性更好。      

夹心式径向复合压电超声换能器

对夹心式径向复合压电换能器径向振动特性进行了研究。该换能器由弹性内芯、预应力金属管及柱面压电陶瓷晶堆径向复合而成.利用机电类比法,得到了换能器的径向振动等效电路及频率方程。探讨了换能器第1、2阶径向共振频率及有效机电耦合系数与其几何尺寸的关系。研究表明,换能器第1阶径向共振频率随其内芯内径及预应力管壁厚度增大而降低;第2阶共振频率随内芯内径增大存在极小值,但随预应力管壁厚度增大单调下降。此外,采用第2阶径向共振模式能获得较高的有效机电耦合系数,并且压电陶瓷处于位移节线时,换能器有效机电耦合系数达极大值。对换能器共振频率的测试与有限元仿真表明。理论与实验及仿真结果符合较好。      

幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路

基于机电类比原理和变厚度薄圆环的平面应力方程,推导了幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路、共振频率方程和位移放大系数。讨论了第一、二阶径向共振频率及相应的位移放大系数随圆环半径比的变化关系。结果表明,幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路是一种非互易二端口等效网络;一阶和二阶共振频率随圆环内外半径比的增大而增大;一阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大先降低后升高,二阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大而降低,但二阶时的位移放大系数整体大于一阶,因此二阶径向共振模式具有更好的径向振动性能。用COMSOL有限元软件对解析理论分析结果进行了验证,仿真模拟结果与解析理论符合良好。根据幂函数型环形聚能器的等效电路模型,进一步设计了一种压电环形换能器,计算了第一、二阶径向共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数,通过与COMSOL有限元软件模拟结果对比,符合良好。本文研究结果为幂函数型环形聚能器及压电环形换能器的工程应用提供了简明设计理论,文中研究结论可作为一种径向超声切割刀在超声工程中获得重要应用。      

径向复合圆柱压电超声换能器

提出一种三元径向复合圆柱压电超声换能器,并对其径向振动特性进行了研究。基于弹性力学理论及机电类比原理,导出了柱坐标系中分割处理径向极化压电陶瓷管准厚度模振动及薄壁短圆管径向振动的机电等效电路;利用径向力和振速连续的边界条件,得出了径向复合圆柱压电换能器系统的径向振动机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器径向共振频率及有效机电耦合系数随其几何尺寸的变化关系。研究表明,换能器的径向共振频率及有效机电耦合系数随其内芯半径和预应力管壁厚度增大而降低。研制了一些径向复合圆柱压电换能器,并对其径向共振频率进行了测试。结果表明,理论与实验结果基本一致。      

复合圆环弯曲振动四极子模态分析

针对压电圆环弯曲振动机电转换性能较差的问题,提出了一种复合圆环弯曲振动换能器,它由一个径向极化的压电陶瓷内圆环和一个金属外圆环复合而成。基于能量原理推导得到了复合圆环弯曲振动的谐振频率和有效机电耦合系数,探讨了弯曲振动四极子模态特性与其结构尺寸间的关系。当压电圆环尺寸不变时,随外侧金属圆环壁厚增加,复合圆环弯曲振动四极子模态谐振频率上升,有效机电耦合系数迅速上升到极大值后缓慢下降。最后,设计制作了圆环换能器并对其谐振频率和有效机电耦合系数进行了实验测试,测试结果与解析结果和数值模拟结果吻合得较好。      

Study on the radial composite piezoelectric ceramic transducer in radial vibration

A new type of radial composite piezoelectric transducer in radial vibration is developed and analyzed. The radial composite transducer consists of a piezoelectric ceramic thin ring polarized in the thickness direction and a metal thin circular ring. They are connected together and excited to vibrate in the radial direction. The radial vibrations of a piezoelectric ceramic thin ring and a metal thin circular ring are analyzed, respectively. Their radial electro-mechanical equivalent circuits are obtained. Based on the electro-mechanical equivalent circuits and using the boundary conditions between the piezoelectric ceramic thin ring and the metal thin circular ring in the radial direction, the electro-mechanical equivalent circuit of the radial composite piezoelectric transducer is derived out and the resonance frequency equation is obtained. The relationship between the resonance frequency and the geometrical dimensions of the transducer is analyzed. Some radial composite piezoelectric transducers are designed and manufactured. The resonance frequencies and the anti-resonance frequencies, the electro-mechanical equivalent circuit parameters are measured. The effective electro-mechanical coupling coefficient and the mechanical quality factor are calculated. It is illustrated that the measured radial resonance frequencies are in good agreement with the theoretical results from the resonance frequency equation.     

Cymbal piezoelectric composite underwater acoustic transducer

The working principle of Cymbal piezoelectric composite underwater acoustic transducer was studied in this paper. PZT-5A piezoelectric ceramic disk was used as piezoelectric phase and brass foil was used as end cap electrode of the Cymbal transducer. The silicon rubber was used as the insulated proof layer of the underwater acoustic transducer. The properties of this transducer used as hydrophone, such as operation frequency, free-field voltage receiving sensitivity and directivity, were investigated. Several kinds of prototype of this transducer were fabricated and the properties of this transducer used as hydrophone were tested. The results show that the properties of this transducer used as hydrophone depend on the dimensions of Cymbal transducer because the piezoelectric properties of this transducer are dependent on the dimensions of Cymbal transducer's end caps. The appropriate dimensions for getting higher free-field voltage receiving sensitivity with -184.7 dB were obtained.     

一种弯张换能器及其共振频率计算方法

提出一种弯张换能器即欧米伽换能器,推导出其共振频率和位移振形函数。把欧米伽换能器分成四个构成部分,利用旋转薄壳理论和压电理论分别求出各部分的能量并进行相加,得到整个欧米伽换能器能量的泛函表达式;把几何边界连续条件和包含待定系数的位移振形函数代入到欧米伽换能器能量泛函中,运用Rayleigh-Ritz法求出欧米伽换能器的共振频率,再把共振频率代入Rayleigh-Ritz偏微分方程和边界方程中求出位移振形函数的待定系数以获得确定的位移振形函数。该方法也被推广到对钹式换能器共振频率和位移振形函数的求解上。上述求解结果与实验结果和数值软件相结合论证了该方法的有效性。可获得以下结论:(1)欧米伽换能器陶瓷片的径向振动与金属端帽顶部的纵向振动同相,减少了声场中的反相分量,易作为低频换能器使用;(2)为解决欧米伽换能器和钹式换能器的优化设计提供了理论支持;(3)文中求解共振频率和位移振形函数的方法,即可以应用在由旋转薄壳组成的弯张换能器上也可以应用在由旋转薄壳组成的其它结构上,具有普遍性。