压电陶瓷和金属构成的复合薄圆板的强迫振动——A电压策动

本文报告了电压策动下的复合薄圆板的强迫弯曲振动的严格解和近似解。复合薄圆板是由两片半径为b的压电陶瓷片和半径为a（a≥b）的金属薄圆板构成的。我们把它称作一般复合薄圆板,因为它可简化为各种特殊薄圆板.在压电陶瓷的极性做适当的安排后,交流策动电压将使一般复合薄圆板产生弯曲振动。从哈密顿原理出发推导了该系统的运动微分方程,连接条件和边界条件。并给出了一般解和严格共振频率方程。对于b=a的特殊复合薄圆板作了特殊的讨论。在简支边界情况下,策动电压的作用相当于在边界上加一个策动弯矩。当边界固定时,b=a的复合薄圆板表现为纯弹性,电压策动不能使之发生振动。本文还用里兹方法求出了一般复合圆板在电压策动下的强迫振动的近似解和近似共振频率方程。共振频率的近似值与实验值进行了比较,结果表明近似结果在工程上是可以使用的。     

压电陶瓷和金属构成的复合薄圆板的强迫振动——B:均匀声压策动

本文讨论了一般复合薄圆板在均匀声压策动下的强迫振动。压电陶瓷的电端开路,策动声压是正弦形的。一般复合薄圆板是一个半径为a的金属板,两面对称的粘上半径为b的压电陶瓷片。这种一般复合薄圆板可以简化为各种特殊的复合薄圆板或均匀弹性板。当压电陶瓷的电极极性作适当的安排后,在均匀声压的作用下,一般复合圆板发生弯曲振动,同时在电端产生开路电压。
系统的最大弹性能和最大动能与电压策动的情形大致相同。此时最大弹性能里的电压不再是常量,变分时对它也要实行变分。另外我们把声压对一般复合薄圆板所作的功形式上看作系统势能的一部分。它和最大弹性能相加得到最大势能。利用哈密顿原理得到该系统的运动微分方程、连接条件和边界条件。并给出了简支边界和固定边界的一般解和严格共振频率方程。由这个共振频率方程得到的频率是电阻抗的并联共振频率。
对b=a的三层特殊复合薄圆板作了特殊的讨论。当边界固定时,一般解和共振频率方程在形式上与均匀等厚薄圆板的相同,只是参量有所不同。同时也求出了简支边界的一般解和共振频率方程。
为了工程上的方便还用瑞利一里兹方法给出了均匀声压作用下一般复合薄圆板的强迫振动的近似解和共振频率方程。此外还给出了有效机电耦合系数的公式。     

弯曲振动压电陶瓷薄圆板的等效电路和剪应力

本文讨论了压电陶瓷和金属构成的三层复合薄圆板的等效电路和粘接面上的剪应力分布。利用电压策动下强迫振动的稳态解求出系统的纯弹性能,纯电能和机电耦合能。再用推导等效电路的能量法求得系统的四端等效电路。在无损耗的情况下,该等效电路在所有的频率上都是正确的。然后利用等效电路求出共振频率附近的有损耗存在的位移函数。再由运动微分方程就可得到动态剪应力的分布。剪应力与策动电压和机械品质因数的乘积成正比。圆板中心处的剪应力为零。随着半径的增加剪应力迅速增加。当r/a=0.85时,剪应力有极大值,边缘上的应力略有下降。     

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。     

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。     

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。     

轴向极化压电陶瓷圆片的自由振动低阶振动方式分析

本文利用解微分方程二点边值问题的伴随法^[6],对应力自由边界条件下的轴向极化压电陶瓷圆片振子的压电运动方程进行了数值积分。求出了厚度与直径比小于0.45的振子在厚度方向运动影响下的低阶径向模的谐振频率及质点位移分布图象。给出了基频的厚度影响修正曲线及与泊松比有关的泛音比曲线。
本文的数值计算全面考虑了压电性的作用,未对振子尺度作任何限制.实验结果与计算结果很好相符。     

低声阻抗复合压电陶瓷的研究及应用

本文研究了我们所配制夹心结构复合压电材料低声阻抗的特性。实验表明，夹心复合压电陶瓷材料的声阻抗，与所用陶瓷材料的种类，气孔率，孔径，样品厚度以及工艺制备过程有关。实验证明，研制特定阻抗的材料是可行的，最后，用研制的新材料成功地应用于混凝土、Ｃ／Ｃ复合材料等非金属材料的超声检测中。     

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。     

具有阻抗匹配层的宽带纵向振动压电换能器设计

本文研究纵向振动压电换能器的频带展宽问题。在复合棒纵向换能器的辐射端加工适当材料的阻抗匹配层,可以使其工作在非单谐振状态下,在单层阻抗匹配层的情况下,合理地选择匹配层的厚度可以调整其谐振点之间的位置,从而改善换能器的辐射特性。本研究结果表明,对于机械品质因素Qm=6,发射响应带宽△f=4kHz的纵向振子,采用四分之一波长厚度的匹配层,在不降低发射响应的条件下,可展宽频带一倍以上。     

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。     

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。     

压电陶瓷泊松比的测定

固体的泊松比是一个很重要的弹性常数.对于压电陶瓷,在测定它的压电性能和弹性性能时,通常是将材料做成薄圆片子,然后利用径向振动来测算S_(11)~E,K_p,d_(31)等等基本物理常数,而这些常数的计算公式中都包含着泊松比σ这个量.因此,要测定这些常数,有必要先测准σ.随着新压电陶瓷的不断出现,特别是锆酸钛酸铅类陶瓷的出现,泊松比已超过0.350 ,根据我们目前了解,还有达0.420的.这样,如果对σ只作随便估计,则对于S_(11)~E,K_p,d_(31)等量有可能引起甚至大于10％的误差.测定σ的方法很多,但是在目前问题中,重要的是如何从薄圆片子本身准确测出σ值来.     

压电陶瓷的高温极化

极化处理是制作压电陶瓷器件的关键工艺之一．本文报告了压电陶瓷在居里点以上开始加电场的高温极化工艺和极化后样品主要性能的测试结果．对高温极化工艺与普通极化工艺的结果进行了比较;讨论了两种不同的极化工艺的优缺点．     

压电陶瓷压电特性的激光调制法测量研究

介绍可测量压电陶瓷压电特性的激光干涉调制测量方法.采用相干检测原理对信号进行提取,不仅可以抑制噪声对干涉信号的影响,而且还可以大大降低光电探测器和电路的1/f噪声.与通常干涉仪测量方法相比,这种方法具有测量灵敏度高等优点.利用该方法对压电陶瓷压电特性进行了测量,讨论了激励电压信号的频率、幅度对压电陶瓷压电常数d₃₁的影响,并对其压电迟滞曲线进行了测量.     

利用劳埃镜干涉测量压电陶瓷的压电系数

利用劳埃镜干涉测量了压电陶瓷的横向压电系数d31,将平面反射镜安装在压电陶瓷的一端,当压电陶瓷在外加横向电场的作用下产生微米量级的纵向形变时,劳埃镜干涉条纹间距将发生相应的变化,从而放大了压电陶瓷的微小形变.通过相机采集干涉条纹的位置与条纹间距的相关信息,并运用Matlab程序对其进行分析,得到压电陶瓷在不同驱动电压下对应的形变量,计算出该材料的压电系数.     

裂纹及水介质对薄圆板振动辐射声场特性的影响

在有限元模态分析的基础上,提取了含人工裂纹的薄板各单元的相关参数,并将瑞利积分离散化,进而计算了裂纹薄板辐射声场的轴向声压分布和r=0.5 m球面上声场分布。结果表明,径向裂纹不仅使模态裂解为关于裂纹的对称模态和反对称模态,而且使声场分布有显著的变化。方法的有效性通过完整圆板辐射声场来验证。该方法可用于求解任意形状穿透裂纹薄板辐射声场的计算。还提出了一种简便计算置于无限大障板上的裂纹薄板水中振动频率以及辐射效率的计算方法。在假定薄板作小振幅振动、水中模态挠度近似为真空模态挠度的条件下,利用瑞利积分得到了因流体压而引起的附加质量密度。进而应用瑞利方法得到了薄板水中振动频率与真空中振动频率、无量纲附加虚质量增量之间的关系。在真空中模态的有限元方法分析数据以及采用适当方法处理奇点积分的基础上,应用离散积分计算了无量纲附加虚质量增量的值。从真空中模态特征频率出发用迭代法直到水中频率收敛为止而得到水中薄板的特征频率,进而计算了薄板的模态辐射效率。方法的有效性通过薄板的无量纲附加虚质量增量与Kwak的结果对比的一致性来验证。     

金属－压电陶瓷中厚度层合环板的动力分析

本文分析了电策动下,由半径不同的压电陶瓷和金属构成的中厚度层合环板的振动问题.在考虑中厚度层合环板变形特征的基础上,得到了其动力学基本方程.利用半解析单元法,得到了中厚度层合环板在各种边界条件下的振型和固有频率.此外本文还讨论了环板的振动转化为紧贴其上的转子的连续转动的现象.     

压电陶瓷复合换能器固有频率的有限差分法*

为丰富换能器固有频率的研究理论,以及提供一种新的计算方法供工程人员选择,提出了计算其固有频率的有限差分法。以由径向极化的压电陶瓷圆管与金属预应力管沿径向复合而成的二元压电陶瓷复合换能器为例,建立并推导了其向振动的数学模型及其有限差分形式,给出了换能器径向振动的特征方程。利用MTALAB对计算实例的径向振动的固有频率进行编程计算,理论计算结果与已有实验结果符合很好,验证了有限差分法计算压电陶瓷复合换能器固有频率的可行性及准确性。通过仿真计算,给出了换能器径向振动固有频率与其结构尺寸的影响关系：换能器径向振动的固有频率随压电陶瓷圆管内径的增大而降低,随换能器壁厚比的增大而降低。该文所建立的换能器径向振动固有频率的有限差分法同样适用于结构形式相近的换能器及其他元器件。