基于耦合模型的人工中耳压电振子设计

利用中耳与压电振子的耦合力学模型,研究设计人工中耳压电振子。该力学模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的左耳,利用CT扫描和逆向成型技术建成模。模型的可靠性通过镫骨底板的位移计算结果与国外文献实验测得数据进行对比加以验证。最终设计的压电振子采取悬浮结构,由绑定装置、压电叠堆及质量块所组成,仅需简单的手术便可直接将其植入在砧骨长突上,且只需要10.5 Vrms的驱动电压便可以对镫骨激起相当于鼓膜处100 dB声压激励的振幅。     

砧骨激励式压电振子听力补偿性能实验

针对传统压电式人工中耳输出增益较小、工作频带窄的问题,提出利用压电叠堆型压电振子激振砧骨体来补偿听力。为验证该方案的可行性,搭建由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台,对振子动态特性、听骨链在声激励下及压电振子激振下的动态特性进行了测量。通过对比分析镫骨在两种激励下的运动情况,研究压电振子的听力补偿情况。结果显示,该砧骨激励式压电振子在低功耗、低电压下,便能对听力损伤进行有效补偿。此外,该压电振子听力补偿时还具有高频性能优异的特点,一方面在同等驱动电压下,高频补偿能力更强,能激起高达130 dB鼓膜声激励对应的运动幅度;另一方面,对高频段听力补偿时,具有较高的清晰度。     

旋磁激励式圆形压电振子发电机

为满足旋转机构监测系统自供电需求,设计旋磁激励式圆形压电振子发电机,并着重研究磁铁尺寸、磁铁间距、压电振子厚度等对压电振子一次受激产生的最大输出电压及总能量的影响规律。结果表明,其它条件确定时,增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及有效速带宽度。试验获得输出电压大于12 V的转速范围为100~2 850 r/min。压电振子厚度对输出电压及总发电量均有较大影响,低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发、供电能力。0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm厚压电振子最佳转速分别为707.5 r/min、1 301.8 r/min、2 490.4r/min,0.2 mm厚压电振子一次受激产生的电能/功率分别为0.4 mm、0.6 mm压电振子的3.1/1.7倍、6.4/2.0倍。以输出5 V供电电压为例,912 r/min时0.4 mm厚压电振子输出电能为0.6 mm厚压电振子的5倍,1710 r/min时0.6 mm厚压电振子的输出电能为0.4 mm压电振子的1.7倍。     

振子及其耦合条件对圆窗激励式人工中耳性能影响的数值研究

为研究振子及其耦合条件对圆窗激励式人工中耳植入性能的影响,建立了包括振子和隔膜在内的人耳有限元模型。该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者右耳,采用CT扫描和逆向成型技术建立而成,通过与相关文献的实验数据比对验证了模型的可靠性。基于该模型,分析了圆窗上的初始预压力、振子和隔膜的设计参数变化对振子听力性能的影响。结果表明:振子横截面积越大,其对耳蜗的激励效果越差;隔膜的引入有利于提高振子的激振性能,在该研究范围内,较小的隔膜杨氏模量和厚度有利于提升振子的激振性能;振子质量的增加会恶化振子在高频段的植入性能;在圆窗上施加的初始预压力能够提高中高频段上对耳蜗的激振效果。     

新型旋转式压电惯性电机振子的冲击振动分析

新型旋转式压电惯性电机,是一种利用压电双晶片振子作为驱动元件,利用锯齿波作为激励电信号产生惯性冲击力的旋转电机。本文研究压电惯性电机振子在pzt元件激励下的冲击受迫响应。推导出了压电陶瓷片两端电压响应方程,以及压电振子梁的冲击受迫响应方程。分析了激励信号频率对振子梁端部响应的影响规律。同时,分析了不同激励信号占空比情况下振子梁端部响应变化规律,以及结构参数对电机驱动力矩的影响规律。分析了提高电机驱动力矩的有效途径。     

声桥系统压电植入振子力学建模及参数优化

根据作用于圆窗的压电式振动声桥的工作原理,建立了压电振子与圆窗耦合的动力学模型,由此推导出该模型的电-机能量转化的传递函数.通过在Matlab环境中进行仿真试验,讨论了压电应变常数、振子支座质量及支座刚度等参数对传递函数的影响,并分别优化了各个参数.研究结果为新型振动压电植入振子的研制奠定了理论基础.     

压电叠堆在正弦电压激励下振动位移特性的研究

利用激光干涉仪对空载压电叠堆在正弦电压激励下的振动位移进行了测量,通过它的幅频曲线,初步研究了压电叠堆的振动位移特性及其影响因素.     

摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器

以压电叠堆和质量块组成的压电叠堆振子为动力元件,通过利用驱动器向左运动和向右运动时接触足与接触面摩擦系数的不同,设计并制作完成了一套摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器．分析了该驱动器的工作原理并对驱动器的运动情况作了详细分析．搭建了专用测试系统,并采用该系统对摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器进行了性能测试．试验结果表明：当频率为10Hz时,该试验装置最小稳定步长为0．19μm,最大移动速度为11．82μm／s,最大承载能力不低于900g．     

人工中耳悬浮式压电振子的优化设计

为了优化人工中耳悬浮式压电振子的植入效果,设计了一种位移放大结构用于改善振子的输出特性。首先采用微CT扫描和逆向成型技术建立了包括外耳道、中耳和简化耳蜗的人耳有限元模型,通过与文献的实验数据比对验证模型的有效性。然后建立人耳与悬浮振子的耦合力学模型,通过有限元的耦合场分析研究加入位移放大结构前后的人工中耳植入效果。研究结果表明,采用位移放大结构后,振子于中高频段的等效声压级得到明显提升,可以有效降低压电振子的功耗。     

用于直升机舱内降噪的智能周期撑杆研究

直升机主减速器内的齿轮啮合引起的中高频振动是直升机舱内噪声的主要来源之一，通过设计具有隔振性能的减速器撑杆可以有效抑制传递到机体的振动，进而减小齿轮啮合诱发的舱内噪声。基于压电叠堆/橡胶周期结构，提出了一种适用于直升机舱内降噪的主动/被动混合振动控制的智能周期撑杆，在满足强度与刚度要求的同时，具有优良的多频与宽频减振能力。压电叠堆与橡胶材料周期排列组成周期结构，其在特定频率范围内具有“机械滤波”特性；同时，通过调节驱动压电叠堆的电压与电流，改变压电叠堆的动刚度，可实现主动减振的功能。为了对智能周期撑杆的主动/被动混合振动控制性能进行分析，建立了基于传递矩阵形式的智能周期撑杆的机电耦合动力学模型，并使用多物理场仿真软件验证了模型的正确性。进一步基于该模型分析了在驱动电压与电流有限的条件下的智能周期撑杆的最优隔振性能：在智能周期撑杆一端固支、一端受到 10 N 的激振力时，最大驱动电压为 20 V、最大驱动电流为 1 A 的电学边界限制下，该智能周期撑杆具有将 692 Hz以上的振动完全衰减的能力，对 692 Hz以下的振动有一定程度的控制效果。此外，还研究了材料参数与力学边界条件对主动控制的影响，即橡胶材料的阻尼、激振力对进行主动控制时需要的驱动电压与电流的影响。使用有限元模型校核了智能周期撑杆的强度与刚度，验证了所提出的智能周期撑杆方案的工程可行性。使用压电叠堆作动器与聚酯乙烯杆件组成一个三周期的压电叠堆周期撑杆作为智能周期撑杆的简化模型，验证了主动/被动混合振动控制性能，分析了力学边界条件对隔振性能的影响，以及进行主动控制时的驱动电压和电流与最优驱动电压和电流的关系。     

砧骨激励式人工中耳作动器的设计及实验

为治疗感音神经性听力损伤，设计的中耳植入式助听器，近年来已成为国内外研究的热点。提出一种砧骨激励式中耳植入助听装置，设计时综合考虑植入位置、空间、手术过程等，并对加工出的装置进行了相关实验。该装置采用压电式作动器，结构简单，作动器产生的力能够高效地传送至听骨链。在设计过程中使用有限单元法（FEM）对装置的共振频率和输出位移进行预估，仿真及实验结果说明该作动器具有良好的动态响应特性，谐波失真度小于1 %，在6.9 Vrms电压驱动下能够提供相当于鼓膜处90 dB SPL激励的效果，可以激励镫骨产生足够的位移以补偿听力损失，是一款有效的助听装置。     

Fabrication and experimental characterization of d31 telescopic piezoelectric actuators

A popular and useful piezoelectric actuator is the stack. Unfortunately with this type of actuation architecture the long lengths normally required to obtain necessary displacements can pose packaging and buckling problems. To overcome these limitations, a new architecture for piezoelectric actuators has been developed called telescopic. The basic design consists of concentric shells interconnected by end-caps which alternate in placement between the two axial ends of the shells. This leads to a linear displacement amplification at the cost of force; yet the force remains at the same magnitude as a stack and significantly higher than bender type architectures. This paper describes the fabrication and experimental characterization of three different telescopic prototypes. The actuator prototypes discussed in this paper mark a definitive step forward in fabrication techniques for complex piezoceramic structures. Materials Systems, Inc. has adapted injection molding for the fabrication of net shape piezoceramic actuators. Injection molding provides several advantages over conventional fabrication techniques, including: high production rate, uniform part dimensions, uniform piezoelectric properties, and reduced fabrication and assembly costs. Acrylate polymerization, developed at the University of Michigan, is similar to gelcasting, but uses a nonaqueous slurry which facilitates the production of large, tall, complex components such as the telescopic actuator, and is ideal for the rapid manufacture of unique or small batch structures. To demonstrate these fabrication processes a five tube telescopic actuator was injection molded along with a very tall three tube actuator that was cast using the acrylate polymerization method. As a benchmark, a third actuator was built from off-the-shelf tubes that were joined with aluminum end-caps. Each prototype's free deflection behavior was experimentally characterized and the results of the testing are presented within this paper.     

复合作动器复合方式对平台主动隔振影响分析

为实现微隔振平台在较宽频带内的主动控制,将一弹性体和第三代压电致动器相串联,设计了一种复合式压电致动器。将复合致动器应用到微隔振平台,并对其整体建模、控制仿真时发现：弹性体相对于作动器位置不同时,在不同的外扰下对控制力的影响不同。为此,设计了一个针对不同外扰对控制力影响的评价函数,通过不同位置对评价函数影响的仿真,结果表明：当隔振平台系统受直接干扰时,弹性体位置对控制力的影响较大;当平台受地基扰动时,弹性体位置对控制力影响不显著。所以,复合作动器的布置形式取决于外扰的类型,且在实验室环境中,两种布置要达到相同的隔振效果,弹性体在上布置所耗费的能量小于其在下布置时的状态。     

基于光控压电混合驱动悬臂梁独立模态控制

本文提出利用镧改性锆钛酸铅（PLZT）的光电效应,将PLZT作为电动势源来驱动压电作动器,从而实现光控板壳结构的振动控制。基于光控压电等效电学模型建立了光控压电混合驱动的数学模型,并进行了实验验证。为了实现光控悬臂梁的独立模态控制,针对悬臂梁结构,设计了正交模态传感器/作动器表面电极形状函数。提出PLZT与压电作动器正/反接控制的激励策略,并结合速度反馈定光强控制的控制算法,利用Newmark-β法对不同光照强度下悬臂梁的动态响应进行了数值仿真分析。分析结果证明了本文所设计的模态传感器/作动器及针对光控压电混合驱动提出的控制策略的正确性。     

基于系统相似方法的叠堆型压电驱动器非线性动力学建模及实验研究

根据机械系统与电气系统的相似方法,将叠堆型压电驱动器的非线性电-机械耦合模型完全转换到电气域内,建立了其非线性相似电路模型;给出了非线性相似电路模型中迟滞因子的辨识方法,并对某款商用叠堆型压电驱动器进行了迟滞因子的辨识试验;基于非线性相似电路模型和迟滞因子的辨识结果,对该款叠堆型压电驱动器的非线性特性进行了仿真分析,得到了其非线性位移迟滞回线;仿真结果与试验结果吻合,证明了该建模过程与辨识方法的正确性。该建模方法在电气域内对叠堆型压电驱动器电-机械耦合特性及非线性迟滞特性进行描述,建模过程物理意义清晰且简单实用,对于研究压电驱动器的动态特性及控制算法具有实际意义。     

高控位精度横向模压电微位移器的研究

介绍了d31横向伸缩模式压电徽位移驱动器的制作过程,应用高稳定的填满钨青铜型压电陶瓷作为该器件制备的基料,利用P-F干涉仪原理测量了电场-位移特性曲线,由此计算了压电常数d31并进行了讨论。该器件具有电控应变(位移)线性度高、滞后量小以及结构简单、制作工艺方便等特点,它在精密光学等技术领域有一定应用价值。     

新型压电双晶片式惯性旋转驱动机构设计

提出了一种通过机械方式控制压电驱动机构和接触面间摩擦力矩的有序变化,形成以压电双晶片振子为驱动元件的新型压电惯性旋转驱动机构的研究方案．研究了该机构的运动机理,指出通过改变机构向不同方向运动时和支撑面之间的摩擦系数值,可以实现压电驱动机构的定向运动．对机构惯性冲击力矩的产生、摩擦阻力矩的改变形式进行了分析．设计了压电惯性旋转驱动机构,制作了试验样机,并对相关性能进行了测试试验结果证明该机构可以实现预期的运动.