徑向夾心式壓電陶瓷複合超聲換能器的研究

《徑向夾心式壓電陶瓷複合超聲換能器的研究》是依託陝西師範大學，由林書玉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：徑向夾心式壓電陶瓷複合超聲換能器的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：林書玉
• 依託單位：陝西師範大學

項目摘要

在功率超聲以及水聲技術領域，換能器的輻射功率及聲波處理範圍是兩個重要的參數。本項目提出一種徑向夾心式壓電陶瓷複合超聲換能器，目的在於實現換能器的二維大功率聲輻射。該換能器是由徑向極化的壓電陶瓷圓管及金屬圓管在徑向複合而成。首先從理論上探討此類換能器的解析設計理論。分別基於平面應力、平面應變以及耦合振動理論，推導薄圓環型、長圓管型以及粗短圓柱形徑向夾心式壓電陶瓷複合換能器的機電等效電路及共振頻率方程。在此基礎上探討換能器的機電性能參數與其幾何尺寸、振動模態及負載的依賴關係。其次，利用數值方法對換能器的徑向振動模態、頻率回響、位移分布以及輻射聲場進行數值仿真，給出換能器的徑向振動位移分布和輻射聲場與其振動模態及負載阻抗之間的關係。最後，利用阻抗分析儀、雷射測振儀及超聲C掃描等測試系統對換能器的機電等效參數、振動位移及輻射聲場進行實驗研究，為此類換能器的最佳化設計提供理論及實驗數據。

結題摘要

為了適應功率超聲新技術中對超聲功率和超聲作用範圍提出的更高要求，克服目前傳統的縱向夾心式壓電換能器的不足。本項目提出了一種新型的徑向夾心式功率超聲壓電陶瓷複合換能器,在此類換能器中，其聲波輻射是通過換能器的內表面或外表面在換能器的徑向方向來實現的。由於換能器的圓柱形聲波輻射面積可以做得很大，因而可以輻射較大的聲功率。同時，徑向夾心式換能器的聲波輻射方向是二維的，因而可以大大地增大聲波的作用範圍，對大規模大容量的超聲處理技術具有重要的實際意義。另外，通過合理設計此類徑向夾心式壓電陶瓷複合超聲換能器內外金屬圓柱的材料，可以實現徑向夾心式壓電陶瓷複合換能器的兩種不同功能的聲波輻射。第一，換能器的外金屬圓管選用輕金屬，而內金屬圓管選用重金屬。此時，藉助於換能器幾何形狀和尺寸的最佳化設計，可以實現換能器聲波能量的外向輻射。這種組合形式換能器的聲波輻射是發散的，可以提高聲波的作用範圍，適用於低強度大作用範圍的超聲套用技術。第二，換能器的外金屬圓管選用重金屬，而內金屬圓管選用輕金屬。同樣藉助於換能器幾何形狀和尺寸的最佳化設計，可以實現換能器聲波能量的內向輻射。這種組合形式換能器的聲波輻射是會聚的，可以提高處理區域的聲波強度，適用於小範圍高強度的超聲處理技術。 本項目對此類徑向夾心式壓電陶瓷複合超聲換能器進行了系統的研究。基於平面應力、平面應變以及耦合振動理論給出了此類換能器的精確設計理論及機電等效電路,並探討了換能器的幾何形狀、尺寸以及負載對其振動性能的影響。利用數值方法對換能器的徑向振動模態、頻率回響、位移分布以及輻射聲場進行了數值仿真，給出了換能器的徑向振動位移分布和輻射聲場與其振動模態及負載阻抗之間的關係。利用阻抗分析儀、雷射測振儀及超聲C 掃描等測試系統對換能器的機電等效參數、振動位移及輻射聲場進行了實驗研究，為此類換能器的最佳化設計提供了理論基礎及實驗數據。