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夹心式换能器的数字仿真和实验研究

夹心式换能器的数字仿真和实验研究

2010年第二届中国科学院博士后学术年会暨高新技术前沿与发展学术会议

作者：葛杨邱志明 J.Wallascheck 海军装备研究院

本文集中于压电换能器的工作频率与所受预应力、盖板材料特性以及换能器几何形状之间关系的研究。夹心式换能器采用PIC181压电陶瓷材料,设计基频为50 kHz,采用Mason等效电路法进行设计计算、FEM仿真软件-ANSYS进行数字化仿真和在预应力... 详细信息

本文集中于压电换能器的工作频率与所受预应力、盖板材料特性以及换能器几何形状之间关系的研究。夹心式换能器采用PIC181压电陶瓷材料,设计基频为50 kHz,采用Mason等效电路法进行设计计算、FEM仿真软件-ANSYS进行数字化仿真和在预应力作用下的换能器结构设计优化,并通过实验的方法进行预应力换能器工作频率的设计精度校验,数字化仿真和实验结果证实:工作换能器所受预应力载荷直接影响换能器工作频率的假设,不同盖板材料的换能器中影响大小不同,但趋势一致。

关键词：夹心式换能器预应力 FEM仿真实验研究

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基于传递矩阵法的夹心式换能器固有频率分析

仪表技术与传感器 2020年第5期 88-92页

作者：邓韬卢钰仁国电科学技术研究院有限公司成都分公司四川成都610000 北京理工大学机械与车辆学院北京100081

文中研究了传递矩阵法,实现了对夹心式换能器固有频率的快速、准确分析。虽然夹心式换能器的结构参数是基于半波长理论得到的,但没有简单的方法来验证其固有频率,这可能导致换能器工作效率降低。首先,通过等效和离散化,使连续弹性体成... 详细信息

文中研究了传递矩阵法,实现了对夹心式换能器固有频率的快速、准确分析。虽然夹心式换能器的结构参数是基于半波长理论得到的,但没有简单的方法来验证其固有频率,这可能导致换能器工作效率降低。首先,通过等效和离散化,使连续弹性体成为由多个无质量弹簧截面和质量集中块组成的多自由度系统。其次,通过推导系统矩阵得到系统的固有频率。最后,与有限元法和脉冲激励法的计算结果进行了比较,证明了传递矩阵法可以用来分析夹层式换能器的固有频率。

关键词：夹心式换能器传递矩阵法固有频率离散

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夹心式换能器耦合振动特性研究

夹心式换能器耦合振动特性研究

2009年度全国物理声学会议

作者：许龙林书玉陕西师范大学应用声学研究所

＜正＞1引言随着换能器应用范围的不断扩大,在某些功率超声的应用中,为了提高换能器的功率容量需加大其横向尺寸,因此在设计此类换能器时其横向尺寸不可忽略,换能器的实际振动模式将是纵向与横向振动的相互耦合。本文利用有限元分析软件

关键词：夹心式换能器耦合振动功率超声振动模式有限元

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晶格结构对基于声子晶体夹心式换能器的影响

晶格结构对基于声子晶体夹心式换能器的影响

2018年全国声学大会

作者：王莎林书玉陕西师范大学陕西省超声学重点实验室

0引言夹心式换能器也称朗之万换能器。它是由前后金属块,压电陶瓷晶堆,金属电极和预应力螺栓组成。传统的夹心式压电换能器如图1所示,一般情况下要求直径小于其纵向尺寸,以便满足一维纵向振动理论的要求。然而在一些高强功率应用场合,... 详细信息

0引言夹心式换能器也称朗之万换能器。它是由前后金属块,压电陶瓷晶堆,金属电极和预应力螺栓组成。传统的夹心式压电换能器如图1所示,一般情况下要求直径小于其纵向尺寸,以便满足一维纵向振动理论的要求。然而在一些高强功率应用场合,例如超声焊接,超声冷拔金属管等,夹心式换能器的横向尺寸较大,此时不满足一维理论要求,当换能器处在工作状态时,实际上是纵向振动和横

关键词：夹心式换能器声子晶体耦合振动晶格结构

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夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计

声学技术 2006年第2期25卷 160-164页

作者：林书玉陕西师范大学应用声学研究所西安710062

文中为换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施,并对功率超声夹心式压电陶瓷换能器工程设计中的一些重要问题(即换能器各部分的功能及选择,压电陶瓷元件的位置优化,接触界面对换能器性能的影响与预应力的选择及影... 详细信息

文中为换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施,并对功率超声夹心式压电陶瓷换能器工程设计中的一些重要问题(即换能器各部分的功能及选择,压电陶瓷元件的位置优化,接触界面对换能器性能的影响与预应力的选择及影响等)进行了简要的分析。结论表明,文中所述对于优化设计、改善并提高性能具有参考和使用价值。

关键词：夹心式换能器预应力功率容量电声效率位移节点

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径向夹心式压电陶瓷圆管换能器耦合振动研究

径向夹心式压电陶瓷圆管换能器耦合振动研究

作者：赵学慧陕西师范大学

学位级别：硕士

压电超声换能器是利用器件的压电效应将电信号转换成声信号或者将声信号转换成电信号的一种设备。它在工业、农业、国防、生物医药等领域的应用非常广泛,如医学超声、超声空化、中草药超声提取、海洋开发、地质勘探、石油开采等。 ... 详细信息

压电超声换能器是利用器件的压电效应将电信号转换成声信号或者将声信号转换成电信号的一种设备。它在工业、农业、国防、生物医药等领域的应用非常广泛,如医学超声、超声空化、中草药超声提取、海洋开发、地质勘探、石油开采等。径向夹心式压电陶瓷管换能器是一种新型的换能器,它的谐振频率和各种性能不仅与压电陶瓷的材料有关,.而且与压电陶瓷圆管的几何尺寸有关。该换能器几何尺寸特殊,换能器高度与直径相接近。径向夹心式压电陶瓷耦合振动换能器的振动方式与压电长圆管和压电圆环的振动方式不同,既不能看成一维径向振动也不能看成一维纵向振动。该换能器径向振动和纵向振动彼此影响,不是一种纯粹的径向振动或者纯粹的纵向振动,是一种纵径耦合的振动方式,也就是径向振动中会有纵振动,纵振动中也会有径向振动。这种振动方式相对于一维振动,如果采用前面的计算方法很复杂,计算量大,但是通过假设纵径耦合系数,把纵振动和径向振动联系起来,从而使一个复杂问题得到简化。最后计算出系统的机电等效电路,求出系统的阻抗,并求得它的谐振频率方程和谐振频率。本文对径向夹心式换能器耦合振动进行了研究,主要分析过程如下： 1.对压电陶瓷管耦合振动进行了研究。首先研究压电陶瓷管的径向振动,把压电陶瓷e型方程代入压电陶瓷管的运动方程中,用MAPLE软件解微分方程,求出位移函数,通过压电陶瓷管的速度边界条件可以求出各未知量,得到压电陶瓷管内、外表面受力,推导出陶瓷管内、外表面受力关于速度的方程,通过联立受力方程组可以求出压电陶瓷管的频率方程。通过观察上述方程发现,该方程是一个关于未知量纵径耦合振动系数c和频率f的方程,需要另外一个包含这两个未知量的方程联立来求解。其次用相同的方法,求出换能器的纵向振动机电等效电路,得到陶瓷管等效阻抗,求出系统共振时的纵向共振频率方程。根据前面的研究可知,联立纵向振动频率方程和径向振动频率方程,得到压电陶瓷管耦合振动的谐振频率。通过改变几何尺寸,求出相对应的频率,画出压电陶瓷管谐振频率与尺寸关系图。最后通过有限元仿真方法和实验方法进行了验证,证明了理论的正确性。为以后研究夹心式压电超声换能器提供了方便。 2.对金属管耦合振动进行了研究。首先对金属管的径向振动进行了研究,根据理论力学原理,忽略剪切应力和剪切应变,通过假设机械耦合系数,得到了等效杨氏模量,分别代入金属管运动方程中,求出金属管振动位移函数。把位移函数代入速度边界中,求出未知量。根据力与应力关系,得到金属内外表面受力与和内外层速度的关系,得到径向振动的等效电路,求出径向振动谐振频率方程。通过观察发现,该方程是关于未知量机械耦合系数c和频率f的方程,需要另外一个式子含有未知量机械耦合系数c和频率f的方程来求解。其次对金属管纵向振动进行了研究,通过运动方程最后得到纵向振动位移函数,求得金属管上下两端的受力与两端速度的关系,得到纵向振动等效电路。当金属管上下两端受为零时,可以求出系统的纵向振动谐振频率方程,该方程也是一个关于未知量机械耦合振动系数c和频率f的方程。联立径向振动谐振频率方程和纵向振动谐振频率方程,求出金属管耦合振动谐振频率方程,并且画出金属管谐振频率与几何尺寸之间的关系图。最后通过有限元仿真分析进行验证,证明了耦合振动理论的正确性。为后面夹心式换能器的研究提供了方便。 3.通过前面的研究,我们已经知道了压电陶瓷圆管耦合振动和金属管的耦合振动,并且知道它们的机电等效电路。我们设计了径向夹心式换能器,该换能器中间层为压电陶瓷PZT圆管,内层为各向同性的金属铝,外层是各向同性的金属45钢。换能器在径向相连,从而得到径向夹心式压电陶瓷换能器的等效电路,而它们纵向振动等效电路可以作为对径向振动的约束,从而得到系统的频率方程,求夹心式换能器的谐振频率。最后通过有限元软件对换能器进行了验证,与理论计算一致,证明了理论的正确性。

关键词：径向极化夹心式换能器谐振频率等效电路

同方学位论文库评论

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夹心式低频超声换能器设计

四川兵工学报 2012年第7期33卷 120-123页

作者：曾一平李剑刘瑜彭炯第二炮兵工程大学西安710025

针对夹心式换能器的设计问题,分析推导了夹心式换能器常用的4种设计方法,即解析法、等效电路法、传输矩阵法和有限元法,并比较分析了这些设计方法的特点和适用范围。为简化设计,提出了设计系列化的思路和用设计方法本身统一各元件性能... 详细信息

针对夹心式换能器的设计问题,分析推导了夹心式换能器常用的4种设计方法,即解析法、等效电路法、传输矩阵法和有限元法,并比较分析了这些设计方法的特点和适用范围。为简化设计,提出了设计系列化的思路和用设计方法本身统一各元件性能参数表达式等问题,并找出了影响设计精度的原因。

关键词：夹心式换能器解析法等效电路法传输矩阵法有限元法

一种通用的夹心式压电超声换能器预紧力测试法

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一种通用的夹心式压电超声换能器预紧力测试法

第三届全国压电和声波理论及器件技术研讨会

作者：傅波李婷 T.HEMSEL 四川省成都市一环路南一段24号四川大学制造科学与工程学院 Mechatronics and Dynamics University of Paderborn33102 PaderbornGermany

对一种夹心式换能器机械预应力检测方法进行了理论和实验研究。由并联电容器、阻抗变换器和电压计组成检测系统,基于压电效应和基本的电路理论,推导了预应力和并联电容器输出电压间的关系式,进而通过测量该电压可间接地计算出预应力。... 详细信息

对一种夹心式换能器机械预应力检测方法进行了理论和实验研究。由并联电容器、阻抗变换器和电压计组成检测系统,基于压电效应和基本的电路理论,推导了预应力和并联电容器输出电压间的关系式,进而通过测量该电压可间接地计算出预应力。利用压力传感器和本文法同时对换能器的预应力进行了测量,结果显示,由于压电常数d的误差和材料非线性的影响,本文法获得的预应力比压力传感器测得值偏高30-40%。本文法简单实用,可对各种压电换能器在机械预紧时的预应力进行粗略的检测。对不同预应力下d的数值进行参数辨识,将有助于提高本文法的精度。

关键词：夹心式换能器压电片预应力并联电容

大功率夹心式压电换能器结构参数计算分析及设计

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振动与冲击 2021年第4期40卷 130-137,220页

作者：王晨青马建敏复旦大学航空航天系上海200433

基于一维纵振理论和机电等效原理,得到了单匹配层夹心式压电换能器辐射声压级的计算公式,通过该公式对换能器结构参数对其谐振频率和辐射声压级(sound pressure level,SPL)的影响进行了计算分析。计算结果表明:换能器径向尺寸对谐振频... 详细信息

基于一维纵振理论和机电等效原理,得到了单匹配层夹心式压电换能器辐射声压级的计算公式,通过该公式对换能器结构参数对其谐振频率和辐射声压级(sound pressure level,SPL)的影响进行了计算分析。计算结果表明:换能器径向尺寸对谐振频率的影响不大,但前盖板径向尺寸的增大会提高辐射声压级;纵向尺寸的增大会使换能器系统谐振频率降低,但增加前盖板厚度,或增大前后盖板厚度比,有利于辐射声压级的提高;增加压电晶片的片数、厚度和面积都可使换能器辐射声压级提高;换能器发射端增加匹配层能有效提高辐射声压级,匹配层的厚度和密度对声压级幅值和带宽有影响。依据计算结果,进行了给定指标要求的换能器的设计计算。

关键词：夹心式换能器机电等效结构参数匹配层辐射声压级(SPL)