縱徑耦合多頻夾心式壓電功率換能器的研究

《縱徑耦合多頻夾心式壓電功率換能器的研究》是依託陝西師範大學，由胡靜擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：縱徑耦合多頻夾心式壓電功率換能器的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡靜
• 依託單位：陝西師範大學

項目摘要

本項目提出一種新型的縱徑耦合多頻夾心式壓電功率換能器，該換能器由縱徑尺寸接近的金屬圓管與徑向極化的壓電陶瓷圓管在徑向複合而成。第一，從表觀彈性法原理出發，用解析法研究得出各組成部分做縱徑耦合振動的機電等效電路，進而得到該換能器機電等效電路及共振頻率方程。探討換能器的諧振頻率、有效機電耦合係數等與幾何尺寸間的相互關係。第二，利用數值法,對換能器的振動模態進行數值模擬和仿真,探討耦合振動頻率特性與其幾何尺寸相互關係，對換能器在不同頻率下的性能參數進行探討及最佳化,以期實現換能器多頻及大功率輻射。第三，設計加工換能器，對換能器的頻率特性、負載特性、位移、聲場分布等進行測試和分析；綜合解析、數值分析及實驗結果，得到實現多頻大功率換能器的最佳化設計方案。本項目研究成果相對於傳統的換能器設計理論是一個完善和革新，為此類換能器的設計奠定理論基礎，對超聲新技術的發展具有推動和促進作用。

結題摘要

為克服傳統縱向夾心式換能器共振頻率單一難以調整，不能實現能量的空間輻射等缺點，提出了一種新型結構的換能器，該換能器由徑向極化的壓電陶瓷圓管和內外金屬圓管在徑向複合而成，本項目主要對換能器的振動特性進行了研究，主要的工作有： （1）採用表觀彈性法分析縱徑尺寸接近的金屬圓管，獲得金屬圓管耦合振動的機電等效電路和頻率方程，並對金屬圓管耦合振動特性進行仿真分析，獲得在縱向與徑向產生強烈耦合振動的條件。 （2）採用表觀彈性法研究縱徑尺寸接近的壓電圓管，獲得耦合振動的機電等效電路和頻率方程，得到幾何尺寸與頻率、有效機電耦合係數間的相互關係，模擬仿真了壓電管的耦合振動，研究發現：壓電管的管壁厚度和縱徑尺寸比對耦合振動的振動特性影響較大。 （3）將換能器各組成部分的機電等效電路在徑向相連，得到耦合振動換能器的機電等效電路，從而推導出共振與反共振頻率方程，由此得到幾何尺寸與共振、反共振頻率以及有效機電耦合係數間的關係：當壓電圓管在換能器的徑向尺寸比例增加，共振、反共振頻率減小，有效機電耦合係數增大；當換能器的縱向徑向尺寸比(h/d)增大，共振反共振頻率減小，有效機電耦合係數在h/d等於2附近有一拐點。設計、加工徑向夾心耦合振動換能器，對其振動特性進行測試，理論計算、數值仿真、實驗測試結果比較一致。研究表明：縱徑尺寸接近的徑向夾心換能器產生耦合振動，可實現多頻大功率輻射，當h/d等於2.5附近耦合振動最劇烈。 該換能器結構簡單，對傳統換能器是一種創新，對於發展新型的超聲換能器、改善現有超聲技術的套用效果、開發新套用領域具有理論指導意義和實際套用價值。