厚度振动模式下背衬结构PZT的声能特性

为了充分利用埋入混凝土中压电陶瓷所激励的声能,采用了一种在压电陶瓷圆片结构的一面设置金属背衬的方法将压电陶瓷双侧的声能集中到一侧,提高了声指向性和声能。实验表明:该方法能使同距离下压电陶瓷圆片轴向声能提高10倍以上,并且得到了声能的相对增量随背衬厚度和声激励频率之积变化的特性曲线。声信号的谱分析还表明:背衬没有改变声信号的主频和主峰区间的频率带宽;当声激励频率为谐振频率79kHz时,最优背衬厚度为2.4mm;当声激励频率f为60kHz～100kHz时,接收端声能相对较大,适合用于实际的压电埋入式超声无损检测。     

基于弱粘接结构中谐振频率的研究

利用弹簧模型方法研究了铝-粘接剂-铝结构中波的反射和透射系数。首先利用粘接层界面的一次反射导出切向和法向刚度比表达式;其次,推导了粘接层界面存在多次反射和透射时刚度比、谐振频率及反射系数之间的关系,得到了弱粘接结构的反射系数随着不同刚度比的变化规律;最后求解了弱粘接层厚度的变化对谐振频率的影响。理论分析和数值计算的结果表明：反射系数取极大值时粘接层厚度与谐振频率的积成奇数倍的关系,反射系数极小值时粘接层厚度与谐振频率的积成整数倍的关系;随着刚度比的增加,谐振频率向高频方向漂移,随刚度比的减小,反射系数逐渐的趋近与1。     

压电智能梁的阻抗分析与损伤识别

压电陶瓷具有正、逆压电效应,可以用作自驱动传感器．该文对表面粘贴有单片压电陶瓷的压电智能钢梁进行了阻抗分析．讨论了单压电片驱动下钢粱的纵向振动和弯曲振动,得到了压电智能梁的机械阻抗．介绍了压电片与基梁的机电耦合作用及基于压电阻抗技术的结构损伤识别机理．以两端自由钢梁为例对压电智能梁的压电阻抗进行了数值与实验验证,结果表明数值计算结果与实验结果基本相符．利用压电阻抗技术对两端自由的裂纹钢梁进行了损伤识别实验研究,实验结果发现,裂纹的出现引起高频段压电阻抗实部和虚部曲线出现了明显的变化;随着裂纹尺寸的增大,曲线谐振频率和反谐振频率逐渐减小．由此可见,通过测量钢梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化能够识别梁中的裂纹损伤．     

一种基于双压电晶片的低噪声加速度计

针对航空矢量声纳浮标对低噪声、低成本、小体积惯性传感器的需求,研究了一种基于双压电晶片的双轴压差分式压电加速度计。首先从理论上分析了矢量水听器中加速度计的工作模式,基于压电加速度计自噪声模型,提出了利用双压电晶片与独立质量块结构实现低噪声加速度计的方法;通过有限元方法对加速度计的灵敏度和谐振频率开展优化设计,确定了加速度计各部件的结构参数;根据优化结果研制了一只加速度计样机及前置放大电路。样机测试结果表明,该压电加速度计整体尺寸为56 mm×56 mm×35 mm,一阶谐振频率约为7.4 kHz,两个轴向的灵敏度分别为1556 pC/g及1363 pC/g(100 Hz),横向灵敏度小于轴向灵敏度的2%。压电加速度计的自噪声为38 ng/Hz~(1/2)(1 kHz,等效噪声声压级为39 dB/Hz~(1/2)),低于零级海况下的海洋环境噪声。     

基于路径映射的埋入混凝土中PZT声能特性分析

利用ANSYS中路径映射方法将压电陶瓷辐射超声波的声压值分布映射到对应的路径上;通过改变路径和角度,并提取数据,分析在79k Hz频率下埋入混凝土中的压电陶瓷进行超声无损检测时声场声能量特性的变化规律。研究结果表明:随着压电陶瓷辐射的声场中扩散角逐渐增加,散射区域增大,声压下降,声能衰减均呈非线性变化,且半扩散角为60°时,声能衰减速度相对较慢;随着压电陶瓷辐射声波传播的距离增大,最大声压和最小声压分布也在发生非线性变化,当半径大于0.09m时,最大声压对应的位置偏离主声轴;当路径对应的半径小于0.08m时,最小声压值对应角度变化较小;当路径对应的半径大于0.08m时,角度变化幅度比较大,大体上是在45°~61°范围内变化;等长度地增加路径对应的半径时,超声波的声能并不是等量减小而是开始时衰减最快,然后逐渐减小。     

基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器逆转现象分析

在压电陶瓷等效电学模型的基础上,结合外加驱动信号波形分析了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器在工作过程中金属球产生逆转现象的原因,建立了金属球的转速及位移模型,采用快速放电回路和加速压电陶瓷放电的方法减小金属球的逆转位移及振动;利用压电陶瓷管作为微驱动元件,设计了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器,并采用不同频率的三角波信号对所设计微驱动器进行试验测试.结果表明:驱动信号频率越高,微驱动器的振动现象越明显;当驱动信号频率接近、等于或大于微驱动元件(压电陶瓷管)的固有放电周期时,金属球出现无规律运动,导致微驱动器失效;根据1 Hz低频信号时的试验结果与计算所得结果基本吻合,证明了所建立的逆转理论模型的合理性.     

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160 Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2 mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.     

减阻工况下壁面周期扰动对湍流边界层多尺度的影响

通过在平板壁面施加不同频率振幅的压电陶瓷振子周期性扰动,进行了湍流边界层主动控制减阻的实验研究.在压电陶瓷振子最大减阻工况下(80 V和160Hz),使用单丝边界层探针对压电振子自由端下游2mm处进行测量,得到不同法向位置流向速度信号的时间序列.通过对比施加控制前后的多尺度分析,发现压电振子产生的扰动只对近壁区产生影响,使得近壁区大尺度脉动降低,小尺度脉动强度增大,而对边界层的外区则基本没有影响.进一步对大尺度和小尺度的脉动信号进行条件平均,发现压电振子产生的扰动对小尺度脉动的影响在时间相位上并不均匀,小尺度脉动强度在大尺度脉动为正时比在大尺度脉动为负时具有更明显的增加.这表明壁面周期扰动主要通过使大尺度高速扫掠流体破碎为小尺度结构,来影响相应的高壁面摩擦事件,从而达到减阻效果.      

层状柱壳磁电复合材料的非线性磁电效应研究

本文基于超磁致伸缩材料非线性本构,从基本的控制方程出发,对层状柱壳磁电复合材料的非线性磁电响应进行理论研究,讨论了不同边界下磁场频率以及压电材料厚度比对磁电系数的影响,并得到了不同预压力下磁场大小对于磁电系数的影响。数值计算结果显示,对于Tefernol-D/PZT-5层状磁电复合材料,随着预压力值增大,磁电系数最大值减小,取得最大值时对应的磁场值逐渐增大;不同边界条件、磁场频率和磁场大小下,材料厚度比对磁电系数的也有着不同的影响。特别地当外加磁场频率较大时,相应于压电层厚度比,磁电系数呈现多极值现象。     

应力条件下压电陶瓷损失机理分析

压电陶瓷材料中主要包括三种不同损失,即介电损失、机械损失和压电损失。为了研究这三种损失的机理并由实验方法分别测量这三种损失的大小,本文利用复参数理论对压电陶瓷材料(PZT-4)建立了使用复参数表示的损失理论模型;讨论了三种损失的物理意义并推导了通过测量等效参数分别计算三种损失的具体方法;测量了在应力条件下压电陶瓷等效电路中的谐振点阻抗、反谐振点阻抗、串连电阻和品质因素的变化情况并以此计算出三种损失随应力的变化。     

压电陶瓷片在振动试验中的应用

通过压电陶瓷片在平板上进行激振和拾振试验,实测压电陶瓷片的某些性能及其对试件固有频率和振型的影响,获取压电陶瓷片的有关数据,以便对实际机械构件作分离纯模态时选配合理的激励方案。     

基于外贴压电陶瓷的钢管砼界面剥离检测机理的数值模拟研究

界面剥离的存在会给钢管混凝土构件的力学性能带来负面影响,本文提出了一种利用外贴式压电陶瓷的应力波测量小波包分析的钢管混凝土构件界面剥离检测的方法。考虑压电陶瓷片的压电效应及与钢管混凝土构件的耦合效应,建立了二维多物理场耦合有限元模型;采用外贴压电陶瓷片作为驱动器和传感器,通过数值模拟研究了在简谐激励下不同缺陷试件压电传感器电压信号幅值及扫频信号激励下,不同缺陷试件传感器测量信号的小波包能量评价指标的变化规律。结果表明,界面剥离引起外贴压电陶瓷传感器电压信号幅值和测量信号的小波包能量下降,界面剥离越大,二者下降得越多。     

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施.研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h 零偏稳定性达到42.5μg.     

基于压电导率特性识别结构裂纹方法的研究

基于粘贴于外部主体裂纹在压电陶瓷片导率的变化,实验提取出梁系统的变民模态频率。建立了考虑压电陶瓷片影响的裂纹梁的特性方程,根据裂纹梁的固有频率的变化,采用剪切弹簧模拟裂纹的方法,进行了裂纹的识别,结果表明满足一定的识别精度。     

金属背衬参数对埋入式压电陶瓷声压特性的影响

为提高超声无损检测中埋入混凝土式压电陶瓷的声激励效率,设计开发一种在压电陶瓷一侧背衬薄铜箔的系统。在研究背衬参数(杨氏模量、泊松比、厚度)对其声压特性影响的基础之上,通过改进路径映射方法分析了不同背衬参数激励声能在混凝土中衰减的情况。实验表明:背衬铜箔参数对埋入式压电陶瓷声激励及能量传播规律有直接影响;不同背衬参数的实验数据验证了背衬参数的相互作用关系;能量声压值随映射半径的增加服从乘幂函数衰减特性,且在最佳参数设置下,激励声能至少提高27.94%。本研究为提高背衬式压电陶瓷在超声无损监测中信号分析提供了依据。     

含装甲钢和陶瓷板的钢纤维砼复合靶的抗侵彻实验研究

为考察装甲钢板和陶瓷板的抗侵彻特性,在钢纤维混凝土靶中分别加入两种不同厚度的装甲钢板和陶瓷板振动成型。在57mm轻气炮上进行了小尺寸射弹侵彻钢纤维砼复合靶试验,测量了不同速度的射弹在不同靶中的侵彻深度。研究表明,当装甲钢板的厚度在5mm范围内,射弹速度超过400m/s时,装甲钢板的厚度对侵彻深度的影响不明显。对含陶瓷板的钢纤维砼,当射弹超过一定速度时,射弹弯曲断裂。通过分析给出了射弹残余弹长与射弹的密度、射弹的动态屈服强度和垂直撞击陶瓷板的速度的函数关系,理论结果与实验数据基本一致。     

有限尺寸压电圆柱的三维耦合振动谐振频率分析

有限尺寸压电圆柱体的振动因为存在不同振动方向之间的耦合而变得复杂,分析时不能简单将其视为一维细长棒或二维薄圆片进行处理,而必须考虑不同振动方向之间的耦合.论文从表观弹性常数的定义出发,给出压电圆柱频率常数和其尺寸的方程.通过样品数据,验证压电圆柱体的频率常数与尺寸的非线性关系,说明一维细长棒或二维薄圆片是在样品尺寸满足一定条件下的简化处理;当样品厚度和直径尺寸接近时,不能简化处理,而必须考虑不同方向的振动耦合.     

考虑表面效应纳米压电双晶中波的频散分析

基于非局部应变梯度理论探究了考虑表面弹性和表面残余应力的纳米压电双晶中波的频散特性,压电双晶的上下压电层暴露在电场之中并且整体沉积在粘弹性基底之上.利用哈密顿原理和正弦剪切理论推导了控制方程,利用含非局部参数和长度尺度参数的尺度依赖本构关系得到了运动方程,带入谐波解求解相应的特征方程.数值揭示了表面弹性和表面残余应力、尺度参数和波数以及粘弹性基底对压电双晶的作用规律.研究表明,表面效应的存在对压电纳米双晶频率特性的研究至关重要,尺度参数和波数对频散特性具有耦合作用,弹性系数、阻尼系数和压电层厚度对频率的作用表现出区域性.     

轻型陶瓷/金属复合装甲抗垂直侵彻过程中陶瓷碎裂行为研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗侵彻过程中陶瓷的碎裂行为,采用12.7 mm穿燃弹对不同背板厚度及陶瓷厚度下陶瓷/金属复合装甲进行弹道冲击试验。通过观测回收的靶体陶瓷宏观破坏特征,分析不同厚度组合与陶瓷主要破坏特征之间的关系;并通过对陶瓷碎块的多级筛分称重,分析不同厚度组合下陶瓷面板的碎块尺度分布规律。结果表明,陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏形态,其宏观裂纹主要有:径向裂纹、环向裂纹和锥形裂纹。陶瓷锥内可细分为由高压缩应力引起的粉末状较小陶瓷碎块组成的陶瓷粉碎锥和由应力波造成的较大片状陶瓷碎块组成的陶瓷破碎锥。冲击后陶瓷锥内陶瓷碎片尺度分布满足Rosin-Rammler分布模型,当背板厚度增大时,陶瓷半锥角增大,导致陶瓷锥整体体积增大,破碎区占比亦增大,产生的陶瓷碎块以大粒径碎块为主,陶瓷锥内整体破碎尺度增大。当陶瓷厚度增大时,陶瓷锥半锥角及径向裂纹数量基本不变,陶瓷锥内粉碎区占比增大,整体破碎尺度减小。     

铁电陶瓷剩余极化强度与纵向压电应变常数之间的线性关系

从理论上证明了铁电压电陶瓷不同极化强度Ｐ＇ｒ与相应的纵向压电应变常数ｄ３３之间存在着线性关系，并与一种材料的实验数据进行了比较。