晶粒尺寸对钙钛矿型压电陶瓷压电性能的影响

压电陶瓷能够通过正/逆压电效应实现电能与机械能之间的相互转化,在电子信息、通信、传感等领域中具有广阔的应用前景.压电陶瓷的压电性能对晶粒尺寸极为敏感,其晶粒尺寸效应的研究受到了广泛关注.本文对目前应用较多的几类钙钛矿型压电陶瓷,包括钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸钾钠、钛酸铋钠陶瓷的压电性能晶粒尺寸效应的研究与进展进行了综述;总结了这些体系中晶粒尺寸的调控方法,晶粒尺寸效应的表现规律,同时回顾了相关物理模型与理论机制.本文为系统理解压电性能的晶粒尺寸效应提供了指导,并对压电陶瓷晶粒尺寸效应的未来研究方向做出了展望.     

液腔耦合高灵敏度压电陶瓷水听器

提出一种利用液腔模态提高接收灵敏度的压电陶瓷标量水听器,称为液腔耦合水听器。该水听器用径向极化的压电陶瓷圆管作为敏感材料,将圆管的外侧壁和上下端面屏蔽而仅使其内侧壁接收声压信号。用\     

圆板型压电行波马达及振动解析

依据克希霍夫薄板四点假设建立求解圆板状行波马达定子特征频率参数及其主振型的线性方程组,采用Matlab5.2工程分析与数值计算软件,利用行列式搜索算法精确求解了定子复合板内、外径比分别为0.1、0.3、0.35、0.6,对应不同振动模式时的特征频率因子及其主振型,并进一步利用牛顿插值法详细解析了马达定子在各阶振动模式下横向幅值的分布以及板面能量的分布情况,为马达定子的优化设计提供了理论依据,并根据数值分析结果总结出超声马达振动模式的选用原则.     

有限长压电陶瓷薄圆管材料常数的测量方法

本文报告了一个测量压电陶瓷材料常数的新方法。可应用它对径向极化有限长薄压电陶瓷圆管的材料常数测量,测量所用的数学公式都是简单的代数运算,所用设备都是普通的电子仪器。使用这个方法能较准确地测出有限长薄压电圆管的泊松比σ,常电场下的顺性常数$S_{11}^E$,平面机电耦合系数k_p,横向机电耦合系数k₃₁,压电常数d₃₁和g₃₁,以及密度ρ和自由介电常数ε本文报告了一个测量压电陶瓷材料常数的新方法。可应用它对径向极化有限长薄压电陶瓷圆管的材料常数测量,测量所用的数学公式都是简单的代数运算,所用设备都是普通的电子仪器。使用这个方法能较准确地测出有限长薄压电圆管的泊松比σ,常电场下的顺性常数,平面机电耦合系数,横向机电耦合系数k_31,压电常数d_31和g_31,以及密度ρ和自由介电常数。对换能器设计和产品质量检查有一定意义。     

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。     

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。     

压电振子的多维耦合振动（Ⅰ）——纯压电振子

本文利用表观弹性法分析了各种压电振子,包括矩形断面的长条、矩形板、实心圆柱和空心圆柱的二维和三维耦合振动的基模并且得到了上述振子的共振频率的极其简单的解析表达式。
由这些公式计算了频率常数随振子几何尺寸改变的关系曲线。所得到的结果分别与用有限差法、有限元法以及里兹变分法所得到的结果满意地符合,也与实验结果满意地符合。由于共振频率的计算公式极其简单,因此共振频率的计算可以用微型计算器很快完成而不必利用计算机,所以对工程设计和估算来说这种方法比上述种种方法要简便得多。
最后,应当强调指出这种方法显然也可用来计算复合压电振子的多维耦合振动的基频。     

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。     

有限长压电薄圆管的等效电路和机电耦合系数

本文给出了径向极化薄压电圆管的等效电路和机电耦合系数.这个等效电路是一个四端网络.用电弹短路振方式和压电方程式求出换器内的能量,再用换能器的线性方程和换能器的内能得到等效电路的参量和方程式:这种推导换能器等效电路的方法能应用于其它的换能器.用换能器内的机电耦合能、弹性能和电能求得换能器的机电耦台系数。     

有限长薄壁弹性圆柱的径长耦合振动

以往在考虑薄壁圆柱的弹性振动时,大多采用所谓薄膜理论进行分析。本文则运用弹性力学的薄壳理论对薄壁弹性圆管的径长耦合振动作了详细分析,从振动方程到一般解,以及在几种不同边界条件下的特征频率方程,并结合有关参考文献的结果进行了计算。理论分析与计算结果表明,薄壳理论不仅在定性分析中能够更好地给出物理解释,而且在定量计算中也更接近实验结果。     

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。     

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。     

棒板耦合结构的振动能量传输研究

本文以棒、板耦合结构为例,从理论和实验上证明和验证了统计能量方法对强耦合结构仍然适用;进而又对该结构的耦合损耗因子进行了较为详细的计算和讨论,并与弱耦合条件下的统计能量方法结果进行了比较,得出了该方法适用的条件以及在低模态密度情况下耦合损耗因子的表示式;最后通过大量实验对所得结论进行了验证,结果是令人满意的。     

周界固定带裂纹薄圆板的振动基频

在将裂纹板挠度表示为正交多项式的基础上，用分区技术的瑞利一里兹方法求解了含不同长度径向裂纹和弧向裂纹的周界固定圆板的振动基频。实验上用小球撞击法测定了裂纹圆板的辐射声场频谱，并得出了谱的基频。此外用有限元法对裂纹板作了理论计算。三项结果基本符合。探究了裂纹长度对圆板基频的影响规律。     

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。     

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。     

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。     

压电陶瓷超声波马达

压电陶瓷超声波马达是利用压电陶瓷材料激发超声波实现驱动的一种新型电机,同传统的电磁马达和静电马达比较,它具有低速下大力矩输出、无电磁干扰、静音操作、保持力矩大、响应速度快、结构简单等特点.在国外,它已经在精密仪器、航天航空、自动控制、办公自动化、微型机械系统、微装配、精密定位等领域得到了实际应用.文章系统地总结了压电陶瓷声马达的特点,简略介绍了国内外相关技术的发展情况及前沿性研究方向,并提出进一步开发研究的几点建议,希望会对我国压电陶瓷声马达的研究以及相应产品的开发起到积极的促进作用.