夾心式壓電超聲換能器設(shè)計及其振動性能研究.pdf

1、超聲換能器是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，能實現(xiàn)電能和聲能間的相互轉(zhuǎn)換。超聲換能器是超聲技術(shù)的核心內(nèi)容，也是決定超聲系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。夾心式壓電超聲換能器以其優(yōu)良的性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于功率超聲領(lǐng)域。本文在深入研究壓電學(xué)、超聲學(xué)、機(jī)械振動學(xué)的基礎(chǔ)上，對夾心式壓電換能器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計并利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對設(shè)計模型進(jìn)行振動性能分析。本文的研究工作分為以下幾個組成部分。
　　(1)本文對超聲學(xué)研究的相關(guān)內(nèi)容

2、進(jìn)行了總結(jié)，回顧了超聲技術(shù)的定義及發(fā)展歷程，并簡要介紹超聲波清洗技術(shù)的原理，介紹了常用的超聲換能器。
　　(2)研究了壓電學(xué)、超聲學(xué)、機(jī)械振動學(xué)相關(guān)理論，采用等效電路法建立壓電換能器的機(jī)電等效模型，進(jìn)而得到了換能器的縱向振動方程，并在縱向振動方程矩陣形式的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出壓電換能器的機(jī)電等效圖。通過機(jī)電等效圖推導(dǎo)出壓電換能器的諧振頻率方程、前后端振速比、輸入等效電導(dǎo)納的理論表達(dá)式。
　　(3)根據(jù)理論計算的結(jié)果進(jìn)行壓電換能器的詳

3、細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics建立壓電換能器在空氣中的有限元分析模型，并進(jìn)行了特征頻率分析、頻率響應(yīng)分析。在此基礎(chǔ)上得出了空氣中壓電換能器的各階特征頻率及振動模態(tài)圖，從中找出縱向振動頻率及模態(tài)。分析換能器上兩個參考點的振動幅值與激勵頻率的關(guān)系，并得出了參考點A、B的振幅頻率響應(yīng)曲線。對換能器輸入電導(dǎo)納與頻率的關(guān)系進(jìn)行了分析，得到了換能器輸入電導(dǎo)納響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)在諧振頻率附近存在正向諧振頻率和反向諧

4、振頻率點。
　　(4)在壓電換能器頻率響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，分析換能器在水中的輻射聲場分布。本文得到了水中換能器輸入電導(dǎo)納頻率響應(yīng)曲線。在聲場中選取計算參考點，分析換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)。本文得到了在工作頻率40kHz的時換能器的水聲場聲壓分布圖。本文進(jìn)一步分析了換能器的空間指向性。在對換能器前輻射面與水聲場區(qū)域交界面處進(jìn)行分析后，得到了在40kHz激勵頻率下沿交界面的聲壓分布曲線，和沿交界面的von Mises應(yīng)力分布曲線。