一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

基于传统夹心式压电陶瓷换能器,提出了一种新型级联式高强度功率超声换能器。该换能器由多个半波长夹心式压电陶瓷换能器通过电端并联及机械端串联而成。基于一维理论,得出了换能器的六端机电等效电路,分析了换能器的电阻抗频率特性,并给出换能器的共振频率方程。研究了不同振动模态下,换能器的共振频率、反共振频率以及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距的依赖关系。实验制造2个级联式功率超声换能器,并对其共振频率和有效机电耦合系数进行了测试,实验结果与理论分析相吻合。此类级联式高强度功率超声换能器可望在超声波液体处理、超声波加工等大功率超声技术中获得应用。     

一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性研究

研制了一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器,并对其径向振动特性进行了理论及实验研究.该换能器由一个厚度方向极化的压电陶瓷薄圆环及一个金属圆环组成.对压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动分别进行了分析,得到了各自机电等效电路.在此基础上,利用换能器径向力及径向振动速度的连续条件,得出了压电陶瓷径向复合超声换能器机电等效电路及其共振频率方程.分析了换能器的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系.结果表明,在换能器压电陶瓷圆环内外半径保持一定情况下,换能器半径比增大时,共振及反共振频率随之增大.对于换能器第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随半径比增大单调增大,而第二阶径向振动有效机电耦合系数随半径比增大单调减小.     

管形径向复合压电陶瓷超声换能器

对一种圆管形径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性进行研究.该换能器由径向极化薄壁压电陶瓷短圆管与薄壁金属短圆管径向复合而成.基于弹性力学理论和机电类比原理,建立了换能器径向振动机电类比等效电路,并推导出其径向共振频率、反共振频率方程及有效机电耦合系数的解析式.实验加工了一些径向复合换能器样品,并对其径向共振频率及有效机电耦合系数进行了测试.结果表明,理论与实验测试结果相吻合.     

径向夹心式复合换能器径向振动特性研究

研究了一种新型径向夹心式复合换能器的径向振动。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆环及内外金属环构成。获得了压电环及金属环的机电等效电路,根据机械边界条件,得到换能器的三端机电等效电路,并求得换能器的频率方程。得到共振频率反共振频率以及有等效机电耦合系数与复合换能器几何尺寸间的理论关系。同时用有限元方法对换能器的径向振动进行模拟仿真,并实验测量了换能器的共振与反共振频率。结果表明,理论计算、模拟仿真以及实验测量结果符合较好。     

径向振动环状压电陶瓷复合变压器的研究

提出了一种新型的径向振动压电变压器,该变压器由两个径向极化的压电圆环与一个金属圆环在径向复合而成。基于径向极化压电圆环与金属圆环的机电等效电路,利用解析法得出此类压电变压器的机电等效电路,借助等效电路推出了压电变压器的共振、反共振频率方程及电压增益方程。利用数值法研究了压电变压器共振、反共振频率及有效机电耦合系数与金属圆环尺寸的关系,探讨了压电变压器共振频率及电压增益和负载阻抗的依赖关系。最后,用阻抗分析仪测试了压电陶瓷复合变压器的基频频率,实验测试结果与理论结果有很好的一致性。     

薄壁预应力管复合压电换能器径向振动分析

对带有薄壁预应力管外壳的径向复合压电换能器径向振动进行了研究.基于弹性力学理论和机电类比原理,建立了复合管压电超声换能器的径向振动机电类比等效电路,并得出其共振频率方程、反共振频率方程及有效机电耦合系数的解析式.探讨了换能器共振频率与其外部预应力管内外半径比之间的关系.实验结果表明:利用本文理论算得的复合换能器径向共振频率与实验测量结果相吻合,误差在5%以内.     

压电陶瓷位置对换能器耦合振动特性的影响

基于表观弹性理论,给出了压电陶瓷晶堆处于不同位置时耦合振动换能器的设计方法.在理论推导的基础上,借助有限元软件Ansys,研究了晶片位置对换能器耦合振动特性的影响.结果表明,随着陶瓷晶堆远离换能器位移节面,有效机电耦合系数和动态电容逐渐减小,静态电容、动态电阻和动态电感增大.同时,加工了相应尺寸的换能器,对其性能参数进行了测试,理论计算和实验测量结果符合较好.     

矩形辐射体夹心式复频超声换能器研究

研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射体夹心式复频超声换能器．换能器由圆柱形后盖板、压电陶瓷晶堆及矩形六面体前盖板组合而成．根据表观弹性法和一维纵向振动理论。给出了此类复频超声换能器横向（x，y方向）及纵向（z方向）共振频率方程．用有限元法对给定具体尺寸的此类换能器进行了模态和谐响应分析，得出了其频率输入导纳曲线．理论和数值计算分析表明。此类超声换能器具有多个共振频率，可在不同振动模态上工作，达到了利用同一尺寸超声换能器产生多个共振频率的目的．     

大功率径向振动压电超声换能器

对一种大功率径向复合圆管压电超声换能器的径向振动特性进行了研究.依据机电类比原理,推出了换能器的径向振动等效电路及共振频率方程;探讨了换能器的第1、第2阶共振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的关系;实验测量了换能器的径向共振频率.结果表明,换能器径向共振频率的理论值与实测值符合较好.     

多频扭转夹心式换能器研究

研究了一种可以工作在多个频率段的扭转夹心式换能器．该换能器由前后金属盖板、两组周向极化压电晶堆及电负载组成．分析了接电负载压电圆管的扭转振动特性，推出了其机电等效电路和共振频率方程．利用等效电路方法，给出了换能器的共振频率方程，并得到了换能器的共振频率与负载阻抗曲线，为此类换能器的设计提供了理论依据．该换能器可望应用于超声焊接、超声加工及超声马达等领域．     

螺栓对压电换能器性能参数的影响

考虑到螺栓的影响,把螺栓等效为四端网络计入换能器的机电等效电路,推导了位移节面位于金属块中时压电换能器的频率方程,探究了压电换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数等性能参数随螺栓的几何尺寸和位置的变化规律.结果表明,适当变化螺栓的长度、位置和直径,可以使换能器的有效机电耦合系数增大,从而优化换能器的性能.     

圆盘形压电陶瓷复合变压器的等效电路和特性

研究了由压电陶瓷圆盘,金属环,压电陶瓷环组成的圆盘形压电陶瓷复合变压器。推导了这种压电变压器的等效电路,输入阻抗,共振、反共振频率方程和电压增益方程。分析计算了压电变压器尺寸变化对频率、有效机电耦合系数的影响。研究了负载变化对压电变压器频率、有效机电耦合系数的影响,探讨了电压增益与负载的关系。研究表明,变压器随壁厚比的升高共振和反共振频率皆升高,有效机电耦合系数降低;随负载的升高,共振、反共振频率及电压增益升高,有效机电耦合系数降低。     

夹心式纵-弯复合振动模式超声换能器的研制

研究了一种新型的夹心式纵－弯复合振动模式压电超声换能器．这种换能器用两套压电陶瓷片分别产生纵振动和弯曲振动．利用波动方程的通解,再加上边界条件,推出了纵振动和弯曲振动的频率方程．由频率方程设计出换能器的尺寸,使两种振动模式工作在同一频率．为验证设计理论,制做了一个频率为１０ｋＨｚ的换能器．实验结果表明,换能器的共振频率与设计值基本吻合．     

径向振动压电陶瓷薄圆盘振子的机电等效电路与共振频率研究

对轴向极化压电陶瓷薄圆盘振子径向振动进行了理论和实验研究.推出了其机电等效电路,得出了振子共振和反共振频率方程,探讨了振子共振和反共振频率与材料参数之间的依赖关系,给出了压电陶瓷薄圆盘振子的共振及反共振频率与其泊松系数之间的解析关系.实验结果与理论计算符合较好.     

夹心式扭转-弯曲复合模式压电超声换能器的研究

在均匀截面细棒扭转及弯曲振动理论的基础上,研究了一种夹心式扭转－弯曲复合模式压电超声换能器．该换能器由均匀截面金属细棒及两组极化方向不同的压电陶瓷元件组成．文中导出了换能器的共振频率设计方程,并从理论及实验上实现了同一换能器中扭转及弯曲振动的同频共振．实验表明,换能器的扭转振动共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,实测值与设计值基本符合．     

一种扭转振动复合换能器等效电路的研究

目的对一种扭转振动复合超声换能器进行研究。方法仿真建模,有限元分析法。结论建立了此换能器机电类比等效电路模型,推导了此换能器的扭转振动频率方程的解析式及共振频率的计算公式;分析了换能器的共振频率与其几何尺寸之间的关系,对该换能器的扭转振动模态进行了分析。结果换能器的共振频率在其他尺寸不变时随着外环金属薄圆环的半径增大而降低,随着内环金属薄圆环的内半径减小而降低。     

后置螺栓对换能器性能参数的影响

利用解析法,将后置螺栓视为T型四端网络计入换能器的机电等效电路中,推导了考虑后置螺栓时夹心式压电超声换能器的频率方程,分析了螺栓及螺帽的几何尺寸变化对换能器共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数的影响.结果表明,当改变螺栓和螺帽的长度和直径时,换能器共振频率、反共振频率均发生一定量的增大或减小,换能器有效机电耦合系数也发生较大幅度的变化.在合理选择螺栓和螺帽直径的基础上,当螺栓在前盖板中的长度约为前盖板长度一半时,换能器的性能较为优化.     

新型夹心式压电陶瓷复合变压器的特性

提出一种新型多层复合夹心式纵向极化压电陶瓷变压器,并应用等效电路方法对压电振子的机电特性进行分析,推导出输入电阻、共振频率、反共振频率和电压增益的解析解,得出并分析了变压器第一、第二共振与反共振频率、机电耦合系数及电压增益与变压器的长度、负载电阻的关系。研究表明,一阶机电耦合系数在特定尺寸上和特定负载上均有最大值;一阶电压增益只在特定尺寸上存在最大值。将计算所得的共振频率、反共振频率与ANSYS模拟结果及实验测量结果进行比较验证,模拟结果及实验测量结果和理论计算值吻合。     

一种新型径向复合阶梯盘形压电变压器

提出一种新型径向复合压电陶瓷变压器,并应用等效电路方法对阶梯金属圆环和厚度极化的压电振子的径向振动,以及阶梯厚度比与最大电压增益及机电耦合系数的关系进行分析.得到的此变压器的等效电路,推导出输入阻抗、共振频率、反共振频率、电压增益和功率效率的解析解,并将计算所得的共振频率、反共振频率与ANSYS模拟结果进行比较验证.结果表明:变压器在共振频率驱动下获得最大电压增益,在共振频率和反共振频率下获得最大功率效率;电压增益和功率效率在固定频率下,都存在着最佳负载.     

弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究

对弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及辐射声场进行了研究.该换能器由中心激励的弯曲振动圆盘及纵向振动夹心式压电陶瓷换能器组成.对圆板的轴对称弯曲振动进行了分析,得出了边界简支薄圆板的共振频率方程,推出了夹心式换能器与弯曲圆盘复合振子的机电等效电路及总体频率方程,并求出了其辐射远场声压分布指向性的解析表达式及换能器辐射近场的三维声压分布.结果表明,弯曲圆盘换能器的近场声压分布同样具有指向性,且主要分布在与换能器横向尺寸相同的空间内.对于弯曲振动圆板不同振动模式,等效电路参数及声场分布和指向性不同.