压电复合材料用于透镜式聚焦换能器的研究

为了增加聚焦换能器的带宽, 抑制其多模振动耦合现象, 提高电声转换效率, 实验采用1-3型压电复合材料代替压电陶瓷作为超声发射材料, 设计并制作了一种新型的1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器。通过频率特性的对比研究, 证明了1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器不仅能增加换能器的带宽, 达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器带宽的3.13倍, 而且能明显抑制径向振动, 得到单一纯净的厚度振动模态。另外, 1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器的电声转换效率达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器的1.88倍, 为高效率聚焦超声换能器的实现提供了理论及实验基础。     

1-1-3型压电复合材料的振动模态研究

对1-1-3型压电复合材料进行了振动形态的分析。1-1-3型压电复合材料选用PZT-5H、硅橡胶和环氧树脂制备而成。从制备的两组样品的实验证明该复合元件相比传统的1-3型压电复合材料具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗。通过PSV-400型激光测振仪测量其振动形态,发现其中压电陶瓷柱的振动为主动振动,模态为电场平行于长度方向的纵向伸缩模态。该结构的复合元件充分发挥了压电柱本身的压电性能,进而提高了整个元件的压电性能,使得该复合元件更适合应用于水声换能器。     

PZT压电复合材料圆环性能仿真和制备

高频宽带全向换能器是水声换能器研究的发展方向,PZT压电复合材料圆环既能够水平全向发射和接收水声信号,同时又使换能器的带宽得到扩展。利用ANASYS有限元仿真软件对2-2型压电复合材料圆环结构进行模态仿真,得到带宽和结构尺寸的关系曲线。在仿真模拟的基础上,形成设计方案,将压电陶瓷圆环沿轴向方向均匀切割,把环氧树脂浇注于切槽,经打磨和被覆电极,制成2-2型压电复合材料圆环。对压电复合材料圆环的压电和介电性能进行测试,结果为谐振频率388k Hz,带宽11.2k Hz,声阻抗18.05Mraly,相对介电常数859,声速3200m/s,d33常数480 p C/N,振动位移89.5pm。该压电复合材料圆环适合做水平全向宽带换能器。     

1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究

为解决压电陶瓷聚焦换能器阻抗高、带宽窄,电声转换效率低等问题,采用新型的1-3型压电复合材料作为聚焦超声换能器材料,设计并制作了一种新型的1-3压电复合材料壳式聚焦换能器。通过对新型换能器的频率特性,电声转换效率研究后和当前应用的PZT壳式聚焦换能器进行对比,证明了1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的阻抗较低,相对带宽达61%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的3.39倍,以及较高的电声转换效率η为54%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的1.68倍。将换能器实际声场检测结果与Matlab声场仿真结果进行对比研究,得出换能器具有较好的声场特性及聚焦效果。为高性能的聚焦换能器的实现提供了理论及实验基础。     

压电复合材料换能器耦合振动特性研究

本文建立了针对压电复合材料的压电复合换能器耦合振动有限元模型,采用有限元方法研究了压电复合材料类型对换能器振动模态与共振频率的影响,并对换能器共振频率与压电复合材料结构几何尺寸之间的关系进行研究。结果表明:压电复合材料类型不同,换能器的振动模态振型会发生改变,并且其前两阶共振频率差值会因压电复合材料的基体材料的杨氏模量和泊松比的不同而发生变化,即共振频率差值随着基体材料杨氏模量的增大而增大,但随着泊松比的增大而减小;而且共振频率与压电复合材料的结构几何尺寸有关,即随着压电复合材料厚度的增大,换能器的纵向振动频率与弯曲振动频率都会逐渐减少,但两频率之间的间距是逐渐拉大的。     

一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法

非均匀厚度1-3型压电复合材料可用于制作宽带压电换能器,已广泛应用于水浸无损探伤、声波测井以及超声成像等领域。为分析该换能器的振动及其性能,提出了一种并联振子等效电路模型,将非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器看成并联的谐振器阵列,采用三维厚度伸缩振动模型对单个谐振器单元进行理论分析,得出了非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器的阻抗计算公式;为验证该模型的正确性,设计并制作了一个平凹的1-3型压电复合材料换能器;实验结果显示,并联振子等效电路模型能准确的分析非均匀厚度1-3型压电复合材料片的性能。结果表明,非均匀厚度换能器带宽的主要是由压电片的厚度差异决定,研究结果可为非均匀厚度宽带换能器的设计提供参考。     

悬臂梁压电复合材料振动发电功率与应变的关系研究

设计制备了压电陶瓷片分布植入的玻璃纤维复合材料,建立了悬臂梁振动发电结构模型,计算了悬臂梁模型的应变分布,测试了植入到复合材料不同位置、不同厚度的压电陶瓷片的振动发电功率,研究表明,应变提高2倍,振动发电功率提高4倍以上。     

切向极化压电陶瓷细长圆棒的扭转振动研究

利用压电材料的压电及运动方程，本文研究了切向极化压电陶瓷细长棒的扭转振动，分析了扭转振动压电陶瓷细棒中扭转角及扭矩的分布规律，推出了扭转振动压电陶瓷振子的机电等效电路，并得出了振子的共振及反共振频率方程，为扭转振动超声换能器的设计及计算奠定了一定的理论基础。     

压电陶瓷球形换能器耐电压与抗拉极限辐射声功率研究

对目前常用的压电陶瓷球形换能器辐射声功率进行研究,分别从压电陶瓷球振动时动态抗拉强度极限和退极化电压两方面分析其极限辐射声功率,两者中选择较小值,为极限辐射声功率计算提供部分技术指导;同时给定了特定尺寸下压电陶瓷球的宽带极限耐压辐射声功率,其结果可为球形换能器设计、使用提供参考。     

双迭片弯曲换能器接收特性的分析与计算

本文理论上导出边缘固定金属压电陶瓷双迭片圆板弯曲振动换能器在忽略辐射阻尼和损耗及满足薄板小挠度和轴对称条件下位移的一般解,并进一步得到了共振频率,自由场电压灵敏度的计算公式,和实验样品的测试结果进行了比较,所得结果对金属压电陶瓷双迭片圆板弯曲振动换能器的设计具有参考价值。     

面剪切振动模式弛豫铁电单晶换能器

[011]极化方向、zxt-45°切型的PIN-PMT-PT单晶因其高剪切压电应变常数、高机电耦合系数和高柔顺系数等特点,在水声换能器中存在广阔的应用前景。通过设计中间质量块的方法,将单晶产生的剪切振动转换为换能器的纵向振动,并利用辐射头的弯曲振动和圆环尾质量块振动的耦合拓宽工作频带。通过有限元仿真分析,研究了结构参数对各阶模态振型和谐振频率的影响。最终仿真得到的换能器工作频带6～18 kHz,最大发送电压响应为138 dB,带内起伏小于4 dB。研究结果表明：采用面剪切工作模式有利于实现换能器低频、小尺寸、宽带发射。     

陶瓷骨架对3-3型复合材料压电性能的影响

本工作研究了压电陶瓷的化学组成对3-3型复合材料介电、压电性能的影响。选用了三种类型的压电陶瓷:“硬性”压电陶瓷(PZT-F)、“软性”压电陶瓷(PZT-N)和“稳定型”压电陶瓷(PZT-C)。实验结果指出:以PZT-F 和 PZT-C 为骨架制成的复合材料仍然具有较低的体积密度、较高的静水压灵敏度、小的机械品质因数和较小的介质损耗,同时其耐静水压稳定性也有所改善。这种复合材科已装配成发射型换能器,成功地用于地震模拟试验。这类材料的问世将有助于宽带换能器的发展。     

扭转振动压电超声换能器的研究

本文对夹心式复合结构压电超声扭转振动换能器进行了系统的理论研究，该换能器由两段金属真圆棒及切向极化的压电陶瓷圆片堆复合而成，文中首先研究了切向极化压电陶瓷细长管的扭转振动性，推出了其机电等效电路，并提出了压电陶瓷细长管截面扭转系数的概念。，     

堆叠压电复合材料圆环阵换能器有限元分析与测试

利用有限元软件仿真设计了轴向堆叠压电复合材料圆环阵换能器的敏感元件。该换能器具有高频、宽带、水平全向发射的特性。利用ANSYS有限元分析软件对换能器敏感元件进行了模态分析和谐响应分析,通过改变复合材料结构参数,分析得到了复合材料圆环径向厚度振动频率和带宽随其厚度、高度和平均半径的变化规律,并据此确定了制备复合材料所需的最佳尺寸参数,为复合材料制备提供了仿真依据。按由仿真得到的最优参数制作了双圆环叠堆复合材料换能器敏感元件。经测试,该换能器形成了明显的双模耦合振动,其-3dBd工作带宽为90kHZ。测试结果和仿真结果吻合,实现了换能器的高频、宽带、水平全向发射声波的设计目标。     

纵—弯复合模式超声换能器的研究

研究了一种新型的纵-弯复合振动模式超声换能器,该换能器由均匀截面细棒及两组不同结构的压电陶瓷元件组成.导出了此类换能器的频率设计方程.实验表明,纵向共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,且实测值与设计值比较符合.     

一种高频宽带大尺寸的圆柱换能器的设计方法

介绍了一种新的圆柱换能器的设计方法。该高频宽带大尺寸的圆柱换能器采用压电陶瓷颗粒拼接而成,在外层添加一层匹配层,通过对匹配层材料及厚度的选择来提高与水的匹配性能,实现宽带能量传输。     

双迭片弯曲压电陶瓷换能器及振动模态分析测量

介绍了双迭片弯曲压电陶瓷换能器的制作及边缘固定金属压电陶瓷双迭片弯曲振动，并利用有限元分析了换能器的谐振模式，采用激光多普勒干涉仪对换能器的谐振特性以及振动速度和位移分布进行了测量和分析，结果表明：换能器空载性能良好，通过有限元分析与先进测量手段的结合，能够对换能器器件的制作与分析进行指导。     

夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展

夹心式压电陶瓷超声换能器是目前大功率超声设备中应用最广的一种换能器,其在大功率工作状态下会呈现出明显的非线性特征。综述了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性方面的研究进展。首先介绍了国内外在压电陶瓷非线性方面的重要理论及实验研究成果,着重阐述了大功率领域常用的硬压电陶瓷的非线性研究工作,其次对夹心式压电陶瓷超声换能器的结构及工艺所引起的非线性进行了简要分析和论述,最后介绍了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性建模方面的研究进展。     

压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的径向振动

对由压电陶瓷圆环与金属圆环组成的复合振动系统的径向振动特性进行了研究。首先分析了压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动,推出了其各自的机电等效电路。在此基础上,得出了压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了系统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。研究表明,当复合振动系统的壁厚比增大时,其共振及反共振频率升高。对于换能器的第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大而单调减小;对于换能器的第二阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大会出现一个极大值,而且,在一定的壁厚比范围内,换能器第二阶径向振动的有效机电耦合系数大于第一阶径向振动的有效机电耦合系数,这一规律与传统的有关压电换能器的分析理论及结果是有所不同的。     

指数型纵—扭复合模式超声换能器研究

纵-扭复合模式夹心式压电超声换能器是超声马达、超声加工等应用技术中的重要组成部分.本文研究的复合模式换能器由圆柱型金属后盖板、指数型金属前盖板及轴向极化和切向极化的二组压电陶瓷晶堆组成.导出了换能器中纵向振动与扭转振动模式的共振频率方程.并得出了两种振动同频共振的条件.实验表明.换能器的测试频率与设计频率符合很好.且换能器的纵向共振频率与扭转共振频率基本一致.