夾心式徑向振動壓電超聲換能器研究.pdf

1、功率超聲換能器是電能與聲能（或機械能）互為轉(zhuǎn)換的一種超聲設(shè)備。在功率超聲技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用較廣的是夾心式縱向振動壓電超聲換能器，這類換能器的設(shè)計理論基本完善。為滿足應(yīng)用的需求，發(fā)展起來一類大功率徑向復(fù)合壓電換能器，由于該類徑向復(fù)合超聲換能器的功率密度大、聲輻射效率高、徑向聲輻射指向性均勻，因此在液體超聲處理領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣闊，并逐漸成為該領(lǐng)域的研究熱點。目前有不少學(xué)者對兩元或者三元徑向復(fù)合壓電換能器的徑向振動、縱徑耦合振動模式進(jìn)行了一定

2、研究，但這類換能器基本采用熱脹冷縮法進(jìn)行裝配，需要較高的加工工藝，且預(yù)應(yīng)力大小、均勻性不容易控制，熱穩(wěn)定性仍需提高。
　　本文針對上述大功率換能器應(yīng)用中存在的問題，對三元徑向復(fù)合壓電換能器進(jìn)行了改進(jìn)和初步研究。徑向復(fù)合換能器主要由三部分組成:內(nèi)外層均為金屬預(yù)應(yīng)力管，中間層為壓電陶瓷晶片。不同的是，本文中單層結(jié)構(gòu)的徑向復(fù)合換能器中的壓電單元采用的是壓電薄圓片環(huán)形排列而成。根據(jù)夾心式縱向振動壓電換能器的理論設(shè)計，本文對這類三元徑向振動

3、壓電換能器還做了進(jìn)一步改進(jìn)，提出了層疊式三元徑向復(fù)合壓電換能器。為了使復(fù)雜的裝配工藝簡單化以及解決預(yù)應(yīng)力均勻性等問題，本文將內(nèi)部金屬預(yù)應(yīng)力管替換為一種柱形彈性膨脹內(nèi)芯，該內(nèi)芯不需要高精度的熱加工，可隨意拆卸。本文通過理論、有限元法以及實驗對單層和雙層壓電陶瓷三元徑向復(fù)合超聲換能器的徑向振動特性分別進(jìn)行了分析，實驗測試值與理論結(jié)果基本一致。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴分別對各向同性的金屬薄圓盤、薄圓環(huán)以及薄壁短管徑向振動特性進(jìn)行了簡

4、要的研究。由機電類比原理，得到了各組分的等效電路、共振頻率方程。⑵對單層壓電陶瓷三元徑向復(fù)合壓電超聲換能器的徑向振動特性進(jìn)行了研究，導(dǎo)出了分割處理的壓電陶瓷管準(zhǔn)厚度模振動機電等效電路，通過連續(xù)邊界條件，進(jìn)而得到了換能器的徑向振動等效電路及頻率方程。探討了換能器的性能參數(shù)與其管壁厚度、壓電陶瓷位置之間的關(guān)系。⑶根據(jù)夾心式縱向振動壓電換能器的設(shè)計方法，在單層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了復(fù)合層（一般為偶數(shù)層）夾心式徑向振動壓電超聲換能器。由網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)理論

5、得到了復(fù)合層壓電陶瓷晶的準(zhǔn)厚度振動機電等效電路模型，從而建立了夾心式徑向振動壓電換能器的機電類比電路，得出了其共振、反共振頻率方程。分析了該換能器第一、二階徑向共振頻率、有效機電耦合系數(shù)與其幾何尺寸之間的依賴關(guān)系。⑷利用ANSYS有限元仿真軟件，對夾心式徑向復(fù)合壓電換能器的徑向振動進(jìn)行了模態(tài)分析。在理論和有限元分析的基礎(chǔ)上，分別制作加工了幾個管壁厚度不同的單層及雙層壓電陶瓷徑向復(fù)合換能器樣品，對其共振頻率進(jìn)行了實驗測試。結(jié)果表明，理論計