彎曲振動(dòng)壓電超聲換能器機(jī)電耦合模型的研究.pdf

1、壓電超聲換能器是上世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)傳遞。壓電超聲換能器憑借獨(dú)有的特點(diǎn)引起了世界范圍的研究熱潮,被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、航空航天以及人們的日常生活中。但在實(shí)際應(yīng)用中卻受到諸多約束,尤其是壓電超聲換能器有效機(jī)電耦合系數(shù)較低,也就是說(shuō),壓電超聲換能器有較大一部分能量以電能的形式存儲(chǔ)在壓電陶瓷之中,引起換能器的能量使用率比較低,極大地制約了壓電超聲換能器的發(fā)展與應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有對(duì)壓電超聲換能器有效機(jī)電耦

2、合系數(shù)展開(kāi)詳細(xì)地研究,無(wú)法有效地提高換能器的能量利用率以及解決換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。因此,本文針對(duì)指數(shù)型變截面夾心式彎曲振動(dòng)壓電超聲換能器有效機(jī)電耦合系數(shù)進(jìn)行研究,對(duì)壓電超聲換能器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),從本質(zhì)上提高壓電超聲換能器的能量利用率。
　　首先,本文基于振動(dòng)學(xué)和壓電學(xué)等課程知識(shí),將壓電超聲換能器等效為兩端自由的指數(shù)型變截面壓電金屬?gòu)?fù)合梁,根據(jù)Timoshenko梁理論對(duì)壓電超聲換能器彎曲振動(dòng)模型進(jìn)行求解,推導(dǎo)出換能器固有頻率和

3、振型函數(shù)。通過(guò)對(duì)壓電超聲換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析,驗(yàn)證彎曲振動(dòng)模型。其次,在求解得到指數(shù)型變截面壓電超聲換能器彎曲振動(dòng)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)壓電方程與能量法原理建立換能器機(jī)電等效圖,得到壓電超聲換能器機(jī)電耦合模型,求解換能器的有效機(jī)電耦合系數(shù)。通過(guò)有限元諧響應(yīng)分析對(duì)換能器機(jī)電耦合模型進(jìn)行驗(yàn)證?；谝陨涎芯砍晒?研究在壓電超聲換能器總體尺寸以及壓電陶瓷尺寸保持不變的條件下,壓電陶瓷位置改變對(duì)壓電超聲換能器有效機(jī)電耦合系數(shù)的影響。本文利用二