大尺寸壓電超聲換能器的特性研究及有限元仿真.pdf

1、壓電超聲換能器廣泛的應(yīng)用于水聲及功率超聲技術(shù)中。根據(jù)傳統(tǒng)的一維設(shè)計(jì)理論，夾心超聲換能器做一維振動(dòng)而泊松效應(yīng)和徑向振動(dòng)被忽略掉。因此，一維理論下必須要求換能器的徑向尺寸遠(yuǎn)小于其縱向尺寸。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)徑向尺寸小于介質(zhì)中傳播的波的四分之一波長(zhǎng)時(shí)，使用一維理論設(shè)計(jì)的換能器其共振頻率理論與測(cè)量間的誤差可以忽略。然而，隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲換能器越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于一些新領(lǐng)域，如高頻超聲金屬和塑料焊接及一些需要大功率、高聲強(qiáng)的超聲領(lǐng)域。在這些情

2、況下，換能器的徑向尺寸較大，通常大于縱波波長(zhǎng)的四分之一。因此夾心換能器的一維設(shè)計(jì)理論將不再適用，否則將會(huì)出現(xiàn)較大誤差。具體的講，一維理論不再適用設(shè)計(jì)以下兩種夾心壓電超聲換能器：(1)應(yīng)用于超聲金屬焊接等方面的高頻夾心超聲換能器。當(dāng)換能器的共振頻率增加時(shí)，其縱波波長(zhǎng)及縱向尺寸相應(yīng)減小，根據(jù)一維縱振動(dòng)理論中的假設(shè)，此時(shí)換能器的徑向尺寸必須相應(yīng)減小，這樣換能器的橫截面就很小并且機(jī)械強(qiáng)度和功率容量也會(huì)很小。為提高換能器的機(jī)械強(qiáng)度和功率容量，高頻

3、夾心換能器的徑向尺寸必須增大，這樣為減少設(shè)計(jì)誤差，換能器的徑向振動(dòng)必須加以考慮。(2)大功率夾心超聲換能器。在一些新的超聲應(yīng)用領(lǐng)域如超聲金屬和塑料焊接，需要很大功率的超聲，因此此類換能器的徑向尺寸通常會(huì)超過(guò)縱波波長(zhǎng)的四分之一，因此一維設(shè)計(jì)理論不再適用。在以上提到的兩種情況中，換能器的振動(dòng)實(shí)際上是一種徑向振動(dòng)和縱向振動(dòng)的耦合形式，因此為研究大橫截面或高頻換能器的耦合振動(dòng)必須發(fā)展一種新的設(shè)計(jì)理論。 對(duì)于夾心式壓電超聲換能器耦合振動(dòng)，

4、不少學(xué)者曾用數(shù)值方法對(duì)其頻率特性和振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了研究。所有數(shù)值方法中有限元法前景最為廣闊?，F(xiàn)在一些商業(yè)軟件如ANSYS對(duì)于此類振動(dòng)系統(tǒng)的分析非常方便。但是盡管數(shù)值方法廣泛的應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)問(wèn)題中，這些方法的研究過(guò)程卻相當(dāng)繁瑣，其得出的結(jié)果也不如一維理論的結(jié)果的物理意義那樣明顯。 本文主要開展了如下兩方面的研究?jī)?nèi)容： (1)基于表觀彈性法對(duì)大尺寸壓電超聲換能器的組件如前后蓋板，壓電陶瓷堆、變幅桿等一一進(jìn)行振動(dòng)特性分析，分別得

5、到考慮縱徑耦合時(shí)的頻率方程表達(dá)式，引入耦合系數(shù)這一概念，探究不同縱徑比時(shí)耦合程度的強(qiáng)弱，比起傳統(tǒng)一維換能器設(shè)計(jì)理論本文的結(jié)論很好的符合了有限元仿真值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。結(jié)論還顯示，基于大尺寸換能器較為強(qiáng)烈的徑向振動(dòng)模態(tài)，還可以設(shè)計(jì)出一種新型的多頻或復(fù)頻換能器。 (2)采用有限元軟件ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)的一組大尺寸壓電夾心換能器進(jìn)行模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析，得到了換能器的縱振共振頻率和反共振頻率，提取了表達(dá)換能器性能的頻響曲線，如Y-F曲線，G