压电振子的多维耦合振动(Ⅱ)——复合压电振子

本文利用表观弹性法分析了复合压电振子的三维耦合振动的基频本振方式,得到了振子共振频率的很简单的解析表达式并由此计算了频率常数随振子尺寸变化的关系曲线。本文的计算结果同已发表的用有限元法计算的结果满意地符合。由于计算公式十分简单,因此共振频率的计算可以用微型计算器很快计算出来而无需用电子计算机,所以这种方法对工程设计和估算来说要比有限元法简便得多。 此外,还给出了有限长圆柱中“纵波”相速的频散公式,并与无限长圆柱中的公式进行了比较。 本方法也可用来计算其它复合压电振子的共振频率。     

悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获的随机共振机理研究

研究了利用系统非线性来提高悬臂梁压电振子宽带低频振动能量俘获效率的随机共振机理,通过增加一对矩形永磁铁对传统线性悬臂梁压电振子结构进行了改进,结果揭示:在外部非线性磁力作用以及合适的磁铁间距条件下,这种外加磁力悬臂梁压电振子会构成一个双稳系统,在外部宽带低频随机振动源激励下发生随机共振现象,且发生随机共振时的输出电压明显增大,从而可以扩展悬臂梁压电振子的共振频率范围、提高低频振动能量的转化输出. 关键词： 压电悬臂粱 振动能量俘获 宽带低频 随机共振     

声波测井压电振子的有限元分析

压电振子是新一代方位声波测井仪器中相控圆弧阵声波辐射器的重要组成部分。利用有限元法对构成圆弧阵的压电振子进行了设计分析,结果显示了压电振子存在多阶弯曲振动模态,且长度方向一阶弯曲振动能够满足方位声波测井的工作频率要求。针对长度方向一阶弯曲振动模式,数值模拟了几何尺寸对压电振子性能参数的影响。压电振子的谐振频率随着陶瓷片长度、基片或陶瓷片厚度的减小而降低;压电振子的辐射声功率随着陶瓷片长度或压电振子宽度的增加、基片或陶瓷片厚度的减小而增大;合理地选取长度和厚度可使压电振子具有较高的机电耦合系数。数值模拟结果可以对圆弧阵结构优化设计起到良好的指导作用。     

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。      

压电陶瓷薄圆环振子径向振动的机电等效电路及其分析

本文对轴向极化压电陶瓷薄圆环的径向振动进行了研究，推出了其机电等效电路，得出了振子的共振和反共振频率方程并进行了实验验证。探讨了振子的共振和反共振频率与其材料和几何尺寸之间的依赖关系。     

压电陶质钛酸钡矩形薄板轮廓模耦合振动的研究

引言 一定形状和大小的压电元件,有它特定的若干个不同的振动模,这些模往往不独立,而是彼此发生耦合的,这使振动特性变得相当复杂。为了探索耦合振动的机理,我们研究了压电陶质钛酸钡矩形薄板轮廓模耦合振动的特性。对于这个问题,Hayashi和田中哲郎等人曾作过研究,但他们的理论只能分析耦合共振频率,而不能分析耦合反共振频率和耦合导纳的频率响应特性。为此,在他们的工作基础上我们提出了一个新的等效电路,它不但可以分析耦合共振频率,而且可以分析耦合反共振频率和耦合导纳的频率响应特性。     

纵向振子共振频率的理论和实验研究(1)

本文摘要总结了纵向振子径向和纵向共振频率的一些公式;对带孔和带盖板的圆盘振子,给出了计算径向共振频率的经验公式。本文重点研究了电边界条件对纵向共振频率的影响以及径向和纵向振动的耦合,并给出了适合工程计算的公式。其中耦合问题和实验与理论的比较在本文的第二部分介绍。     

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。      

一种非均匀厚度压电复合材料片宽带换能器的实验研究

本文利用１－３压电复合材料作为换能元件，通过特殊工艺制备成一面是平面，一面是球面的非均匀厚度压电振子，这种压电晶片加上激励电压后，不同厚度处以不同的共振频率振动，从而使压电晶片的振动频带加宽，本文介绍了这种压电晶片的机电特性，以及用这种压电晶片制成的宽带聚焦超声换能器的脉冲回波特性，此外，文中还对这种换能器与均匀厚度压电晶片换能器的脉冲回波特性进行了比较。     

纵向振子共振频率的理论和实验研究

本文研究了纵向振子径向和纵向振动的耦合问题,并将理论与实验进行了比较。其结果表明,用本文总结的纵向振子径向和纵向共振频率的一些公式,可满足工程设计上的需要。     

金属和压电陶瓷构成的两层复合薄圆板的强迫振动

本文分析了电压策动或均匀声压策动下的由半径不同的压电陶瓷和金属板构成的两层复合薄圆板的强迫振动。给出了简支边界条件和固定边界条件下的严格解和串联共振频率方程与并联共振频率方程。用Rayleigh-Ritz方法给出了简支边界条件下电压策动的强迫振动的近似解和串联共振频率方程。数字结果给出了能得到较大机电耦合系数的无量纲几何参量的最佳值。本文还讨论了弹性耦合和惯性耦合对共振频率的影响。     

压电振子表面振动位移分布的激光干涉仪测量

本文提出了一种采用迈克尔逊干涉仪方法测量压电振子表面振动位移分布的简单方法。当其中一支光路引入一低频相位调制,可使测量结果不受环境机械振动和声噪声的干扰(包括带动微动台移动的马达机械振动和声噪声),因而可进行一维自动测量。当自动测量时,位移振幅一般需大于0.1A,当进行定点精密绝对测量时,最小可测位移为5×10~(-2)-5×10~(-3)A,最后给出了几种压电振子的测量结果。     

压电陶瓷振子的谐振频率温度稳定性分析

本文由压电陶瓷中铁电畴极化取向的程度以及绝热条件下的压电方程组出发,推导出压电陶瓷振子谐振频率温度系数T_kf以晶格热膨胀系数、剩余极化强度等为变量的表达式。用“纯”Pb(Zr_xTi_1-x)O₃(锆钛酸铅)的实验数据代入表达式计算,得到准同型相界附近组成的T_kf对Zr/Ti的关系曲线,与实验结果较好地符合。由本文的结论,成功地解释了极化工艺及热处理工艺对T_kf的影响,并讨论了改善压电陶瓷的频率温度稳定性的可能途径。     

压电陶瓷复合振子的电声效率与振子压电片位置关系的实验研究

压电陶瓷组成的功率超声复合振子,虽然有不少优点,但是在实际负载中,有时声负载匹配不够理想,声能不易辐射出去。如果压电片的位置放的不妥当,其声能就更辐射不出去,增加了换能器的损耗,降低了电声效率。本文从振子的晶片位置上研究了这个问题。 一、引言 关于复合振子的压电片位置,有人曾作过研究。例如:Shoh研究了压电片位置对振子内部功率损耗的影响。Lemaser在频率为10kHz下,研究了压电片的位置对阻抗、Q值和辐射端头位移的影响。汪承灏研究了压电片的位置对有效耦合系数的影响。我们根据压电片在振子中的位置不同,设计了多种20kHz的压电陶瓷复合振子。在超声工程常用的功率和位移振幅下,分两种情况试验:第一情况,向空气中辐射;第二种情况向水中辐射。通过这些实验,从压电陶瓷片在振子中的不同位置,观察它们的内部损耗功率和电声效率的变化。     

压电圆片径向方式等效线路的普遍形式

压电圆片径向方式振子在压电测量中得到广泛应用,国际上的压电测量标准均把它列为主要内容。这种振动方式,Mason曾作过详细研究,得到了电导纳表达式以及只适用于基频共振频率附近的简化等效线路。本文从Mason的电导纳表达式出发,利用Mittag-Leffler定理,导出了适用于任何频率的等效线路的普遍形式;从而证明了此种形式等效线路与从波动方程求得的严格解析解完全等价。     

耦合的van der Pol振子的极限环幅值控制

设计反馈控制器，对一类耦合的van der Pol振子的极限环幅值进行控制. 用近似解析方法求出了控制系统的幅值的控制方程, 得到了控制参数与极限环幅值的函数关系, 使系统的振幅能按需求得到有效地调整. 通过数值计算绘制了在不同控制参数下, 系统响应的时间历程曲线和极限环. 近似解析方法计算得到的结果与数值计算进行了比较，两者是符合的. 这一方法也可以推广应用到其他耦合的van der Pol振子.     

有限尺寸压电陶瓷圆板的耦合振动

本文从压电陶瓷圆板的二维运动方程出发,在进行分离变量后可得到仅依赖于轴向坐标z的方程。然后根据边界条件用伴随法求解,从而得到了依赖于径向扩张基频的振动频谱。我们再从厚度振动的基频出发,求其径向扩张振动的频谱。由计算结果看出,压电陶瓷圆板的径向和轴向振动频谱不但与其压电、介电、弹性常数有关,而且它们二者之间也相互影响,即是所谓的“耦合”关系。为了验证理论的正确性,作者计算了一个实例,计算结果与实测虽符合得不很好,但比一维理论确好得多,而所取材料参数的误差也是引起误差的一个重要因素。     

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。     

大尺寸夹心式压电超声换能器的设计

现有的夹心式压电超声换能器的设计方法多从一维理论出发，它对横向尺寸较大的换能器并不适用．本文研究了大尺寸夹心换能错的铝合振动，通过引人振动体的等效弹性系数，推出了换能器的耦合振动频率方程，并给出了换能器纵向共振频率的设计准则．与数值法相比，本方法计算非常简单．与一维理论的计算结果相比，利用本文理论得出的换能器的纵向共报频率与实测值更加符合．     

压电振子参数的电纳测量方法

通过对压电振子导纳轨迹的理论分析,本文提出了压电振子参数的电纳测量方法,并用该方法具体测定了钽酸锂(LiTaO_3)晶体的有关弹性常数和压电常数。