压电陶瓷矩形振子的三维等效电路及其在振子频率特性分析中的应用

在忽略剪切振动、弯曲振动及扭转振动的近似条件下,分析了压电陶瓷矩形振子长度、宽度及厚度振动模式之间的耦合振动,推导出了振子三维耦合振动的等效电路.在此基础上研究了矩形振子耦合振动的共振频率特性并得出了振子的共振频率方程.理论分析表明,压电陶瓷细长条的横向及纵向振动模式是矩形振子在一定几何尺寸条件下的振动模式.按照导出的耦合振动频率方程设计的压电陶瓷矩形振子,其实测共振频率与理论计算值基本符合.     

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。     

计及压电效应时矩形振子的三维振动研究

在计及压电效应的情况下，本文利用解析方法对有限尺寸压电陶瓷矩形振子的三维振动进行了研究，推出了振子耦合振动的频率方程，并对振子的振动模式进行了分析。理论研究表明，利用本文中的解析法研究振子的耦合振动，计算简单、物理意义明显。与传统的一维理论分析方法及数值方法相比，由于本研究考虑了振子的压电效应以及不同振动模式不同的相互耦合，因此，振子的理论计算频率与测量值更加符合。     

矩形压电振子的多维耦合换能器理论

利用表观弹性法推导了矩形断面压电陶瓷长条和矩形压电薄板振子的二维耦合振动理论并给出了各振子的总导纳方程、多维耦合下的机电转换系数等,由总导纳方程计算了频率常数随振子几何尺寸的变化曲线。所得结果与有限差分法和有限元法的结果相当满意地符合。 这种方法比其他方法简单,可用于压电陶瓷参数的修正,复合压电振子和非压电振子的耦合振动的计算。     

圆柱形压电振子的多维耦合换能器理论

利用表观弹性法讨论了有限长实心和空心压电圆柱振于的三维耦合振动理论,并给出了各振子的总导纳方程、频率方程和多维耦合下的机电转换系数等。由总导纳方程计算了频率常数随振子几何尺寸的变化曲线,所得结果与用里兹变分法得到的结果相当一致,也与实验结果相吻合。此方法可用于圆柱形压电陶瓷参数的修正以及复合压电振子和非压电振子耦合振动的计算。     

微振动输送中圆盘型压电振子的动力学分析

目的研究压电陶瓷振动给料器的双晶片压电振子,求出其力学表达式,为振动给料器的双压电晶片的优化设计奠定理论基础。方法以螺旋式压电振动给料器的圆盘型压电振子为例,对圆盘型压电双晶片进行动力学分析,建立振动模型及动力学方程,对激振力进行求解。结果运用Rayleigh-Ritz法推导出在简支边界条件下,双压电晶片振子的弯曲振动的共振频率以及激振力表达式,得出最大误差出现在160 V处,理论计算与实验验证数据的误差为10%左右,有限元分析与实验验证数据的误差为5%左右。结论通过实验可以看出在实际应用中,要综合考虑其电压输入与压电陶瓷层的变形程度,选择最佳的电能输入,才能使压电双晶片获得最大的激励位移。     

径向极化压电陶瓷管的径向振动研究

结合平面应变和三维压电弹性力学理论,对径向极化厚壁压电陶瓷细长管的径向振动进行了研究,得出位移函数、电势函数的精确解。利用振子静电电荷方程导出电位移及电场强度函数,解决了电压与电场强度非线性关系问题,进而辅助maple软件首次对厚壁管形振子等效电导纳进行研究,推出了精确的谐振反谐振频率方程。利用数值法得出了不同尺寸管形振子的谐振反谐振频率,并通过有限元分析,结果表明了本文理论的准确性与精确性,为压电陶瓷厚壁振子的理论研究及设计提供了依据。     

复频超声换能器的研究

研究了一种具有多个共振频率的功率超声换能器，即复频超声换能器。换能器由一个纵向振动夹心式压电超声振子和一个弯曲振动薄圆盘复合而成。给出了换能器的理论共振频率方程，对实际制作的换能器的共振频率，等效电阻抗及有效机电耦合系数进行了实验测试，并对换能器的大功率工作性能进行了定性的测量及观察。实验结果表明，给出的换能器可以在不同的振动模式上工作，因此具有许多共振频率，且对应换能器不同的共振频率，换能器的等     

有限长各向同性圆柱体耦合振动的研究

按照耦合振动理论,用解析方法研究了有限长各向同性圆柱体的耦合振动,推出了用于设计及计算共振式圆柱振动器的频率方程,分析了振动体内纵向与径向振动之间的耦合关系。理论分析表明,无限长细棒的纵向及径向振动理论,薄板的径向振动理论以及无限介质中的纵向振动理论,都可由本文得出的理论推出。与数值方法相比,解析法计算简单,物理意义明显。实验表明,由本文理论得出的有限长圆柱振动器的共振频率与现有的理论结果及实验都非常符合,与一维振动理论的结果相比,耦合振动理论得出的振动体的共振频率与实验测量值更加符合。     

成型压力对0-3型锆钛酸铅/水泥压电复合材料的影响

以快硬硫铝酸盐水泥为基体,以锆钛酸铅(PZT)为功能相,用压制成型法制备出0-3型PZT/水泥基压电复合材料。分析成型压力对PZT/水泥基压电复合材料的压电性和介电性的影响,结果表明:不同粒径PZT颗粒作为功能相的水泥基压电复合材料,成型压力对其压电性和介电性有不同的影响。在30~90 MPa压力范围内,成型压力越大,PZT/水泥压电复合材料的压电应变常数d33和相对介电常数εr均显著提高,这是由于气孔率随压力增大而减少,而压电电压常数g33的变化则与功能相的粒径有关。机电耦合系数也有着不同的变化趋势,对于6μm和126μm PZT/水泥压电复合材料,其机电耦合系数Kt和Kp随压力增大缓慢下降,而对于430μm PZT/水泥压电复合材料则呈上升趋势。当压力达到150 MPa时,其压电性和介电性均急剧减小。     

多相周期压电纤维复合材料反平面变形问题的解析解

研究了具有周期微结构的多相压电纤维复合材料在反平面变形下的电弹性场。通过在各非均匀相内引入非均匀的广义本征应变,将原问题等价为带有周期广义本征应变的均匀介质问题,建立了两者间的等价条件。利用等价问题各区域交界处的广义应力连续条件和广义位移协调条件,并结合双准周期Riemann边值问题理论和等价条件,获得了各相材料电弹性场的解析解,进而由平均场理论预测了材料的有效压电系数。比较了相同压电材料体积分数下中空压电纤维、碳芯压电结构纤维和实心压电纤维复合材料有效压电系数的差异,讨论了压电结构纤维中非压电芯刚度及压电结构纤维与基体间涂层的刚度对有效压电系数的影响。研究结果可为高灵敏度压电复合材料的设计提供有价值的参考。     

Electroelastic properties of cracked piezoelectric materials under longitudinal shear

Analytical solutions are obtained to quantify the influence of cracks on electroelastic properties of piezoelectric materials containing doubly-periodic arrays of cracks. Both the rectangular and diamond-shaped arrays of cracks are considered. Solutions are obtained for the case of an antiplane shear load coupled with an in-plane electrical load. This study makes it possible to understand the multicrack interactions in piezoelectric solids and their effects on the fracture and electroelastic properties. The crack tip field intensity factors and the change in stored electroelastic energy due to the presence of many microcracks are calculated. These calculations enable the prediction of the effective elastic, piezoelectric and dielectric constants of a damaged piezoelectric material. The results of this work can be useful in developing a technique to determine the state of mechanical and electrical damage in piezoelectric materials.     

Electromechanical coupling efficiency of transverse vibration in piezoelectric plates according to electrode configuration

This study proposes a method of configuring electrodes for piezoelectric plates to improve the electromechanical coupling efficiency of transverse (out-of-plane) vibration. Two optical techniques were employed to investigate the transverse vibration. We first used a non-contact, full-field measurement technique called amplitude-fluctuation electronic speckle pattern interferometry (AF-ESPI) to determine resonant frequencies and mode shapes in real time. Second, a point-wise measurement device called a laser Doppler vibrometer was used to obtain the spectrum for out-of-plane frequencies. Four electrode configurations with completely free boundary conditions were used to study the electromechanical coupling efficiency of piezoelectric plates. We conclude that the design of the electrodes clearly influences the electromechanical coupling efficiency of piezoelectric plates. The experimental results related to resonant frequency and mode shape were verified using the finite element method (FEM). The numerical calculations are in good agreement with experimental results. Furthermore, according to FEM results, the distribution of electric potential gradient is similar to the mode shape measured by AF-ESPI, making it applicable to the configuration of electrodes in optimizing the excitation of piezoelectric plates. This study proposes the determination of the electromechanical coupling factor to predict the efficiency of transverse vibration in piezoelectric plates.     

用ATR法测量晶体的压电系数和电光系数

提出了一种测量晶体压电系数和电光系数的新方法。晶体厚度和折射率的变化导致衰减全反射(ATR)谱的同步角发生移动,进而引起反射率的变化。选择两个不同阶导模的工作角,施加电压分别测出反射光强的变化,可得到压电系数和电光系数。反射率相对于厚度和折射率的灵敏度分别可达到10^8m^-1和10^3。该方法可同时测量压电系数和电光系数,测量灵敏度高,样品结构简单,实验装置简便,所需的测量电压低。     

高频热声制冷机中的压电喇叭特性

研究建立了1台5 kHz微型热声制冷实验样机,对压电喇叭谐振系统的阻抗特性,以及频率和电压响应特性进行了实验研究.初步的实验显示,压电喇叭与驱动电源和热声谐振系统之间需要在电学和声学上进行匹配,PZT5的压电陶瓷材料发热较大,且提供的声功率较小,这些是影响微型制冷的重要因素.     

含裂纹压电材料的Cell-Based光滑扩展有限元法

为精确而有效地求解机电耦合作用下含裂纹压电材料的断裂参数,首先,通过将复势函数法、扩展有限元法和光滑梯度技术引入到含裂纹压电材料的断裂机理问题中,提出了含裂纹压电材料的Cell-Based光滑扩展有限元法;然后,对含中心裂纹的压电材料强度因子进行了模拟,并将模拟结果与扩展有限元法和有限元法的计算结果进行了对比。数值算例结果表明:Cell-Based光滑扩展有限元法兼具扩展有限元法和光滑有限元法的特点,不仅单元网格与裂纹面相互独立,且裂尖处单元不需精密划分,与此同时,Cell-Based光滑扩展有限元法还具有形函数简单且不需求导、对网格质量要求低且求解精度高等优点。所得结论表明Cell-Based光滑扩展有限元法是压电材料断裂分析的有效数值方法。      

压电复合材料层板弱界面的四种力电热物理模型

基于对压电复合材料层合结构弱界面弹性场、电场、温度场的宏观和细观尺度分析, 构建了四种界面力-电-热模型, 分别为非耦合型、耦合型和混合型。依据这些界面模型, 得到了柱面弯曲简支压电复合材料层板的力-电-热多场耦合解。结果表明, 损伤界面的多场耦合物理描述介于宏观和细观尺度之间, 需要多尺度考虑, 且基于不同尺度的描述也可获得相似的规律。在热载和力载下, 不同的界面模型对弹性场影响趋同、差异甚小, 而对电场和温度场, 四种模型的影响各异、但规律相似; 在电载作用下, 不同的界面模型无论对弹性场还是电场, 都有显著的影响。     

扭转振动压电超声换能器的研究

用声强技术检测区分板壳结构的空气传声与结构传声时，结构的辐射效率之差决定了检测结果的可信度，文中分析了实际结构的在声场激励下的实测辐射效率与无限大结构的空气传声辐射效率之差，及对区检测结果的影响。实验结果证实了理论分析。