用ANSYS 软件分析压电换能器入门
A ：分析过程基本步骤
一：问题描述（草稿纸上完成）
1：画出换能器几何模型，包括尺寸 2：选定材料
3：查材料手册确定材料参数 二：建立模型
1：根据对称性确定待建模型的维数
2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码 3：建立一个文件夹用于当前分析
4：启动ANSYS 软件，指定路径到建立的文件夹， 5：定义单元类型
压电换能器分析使用的单元类型： solid5：8个节点3D 六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。无实常数。 plane13：4个节点2D 四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。无实常数。 solid98：10个节点3D 四面体耦合场单元。无实常数。
Fluid30：8个节点3D 六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。应用于近场水和远场水。实常数为参考声压，可缺省。
Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。实常数：半径，球心X ，Y ，Z 坐标值。
6：定义材料参数
对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。（静态分析不用密度） 对压电材料：
一般使用的压电方程：e 型压电方程，因此输入的常数为
?????????
??????
????
?=E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E
E E
c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 665655
464544
36353433
2625242322
161514131211对称
????????
??????????=6362
61
535251434241333231
232221131211
e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ?????????
?=S
S S S 3322
11εεεε 注意！一般顺序为：XX ，YY ，ZZ ，YZ ，XZ ，XY 。在ANSYS 中为XX ，YY ，ZZ ，XY ，YZ ，XZ 。因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。
7：建立关键点 8：把关键点连成线
9：把线段围成面
10：通过适当的方法生成体
11：指定单元类型和材料参数
12：划分线段
13：划分体单元
14：坐标转换，（转换到柱坐标系下）
15：节点转换
三：加载约束条件
1：加载边界约束条件
2：电极上加电压
四：求解
1：模态分析
2：谐响应分析
五：查看结果
1：查看模态分析结果，计算导纳。
2：各模态的动态演示
3：查看谐响应分析结果，计算导纳、发射与接收响应。
六：生成命令流文件
1：给程序分块，添加适当的注释
2：把相应参数具体值改成变量，同时给变量赋值
B：空气中建模过程
一：问题描述
弯曲式换能器实体模型为轴对称结构。结构尺寸如图所示。弯曲式换能器由压电陶瓷，‘金属壳’粘结而成，粘结材料为环氧树脂。由于粘结层为一薄层，建模的时候可以忽略。本例中‘金属壳’材料采用铝，压电材料选择压电陶瓷PZT5。
二：建立模型
1．指定工作空间，设定分析作业名和标题
（1）首先建立一个文件夹用于当前分析，如D:\ANSYSfiles ，路径当中不允许有中文出现。（2）启动ANSYS9.0软件，界面如下图，界面包括实用菜单，命令输入窗口，ANSYS工具栏，主菜单栏，图形窗口，图形调整工具栏，标准工具栏。
（3）指定工作空间：实用菜单－》File－》Change Directory… ,出现对话框，选择刚才建立的目录D:\ANSYSfiles，以后操作生成的文件都在此文件夹下。
（4）设定标题：实用菜单－》File－》Change Title…，出现对话框，输入‘daocheqi Analysis ’作为标题。点击ok。
（5）保存db（数据库文件）文件：File－》Save as ,出现对话框，保存文件名为title.db。
（6）定义单位：在ANSYS主界面输入窗口输入“/UNITS，Label”其中，Label 指定单位制标签有：
USER：用户自定义单位系统。
SI：国际单位，即MKS单位。
CGS：CGS单位系统，即cm,g,s,c 等。
MPA：MPA单位系统，即mm,Kg,s,c 等。
等。
BFT：用英尺的单位系统，即ft,slug,s, F
等。
BIN：用英寸的单位系统，即in,lbm,s, F
一般采用国际单位：即
然后按Enter 即可。
如果不改变单位制，以后默认。
2．定义单元类型
金属壳采用Solid45 单元，压电陶瓷采用Solid5 单元。Solid45为结构单元里面的三维块模型单元。Solid5为三维耦合场单元，因为压电陶瓷涉及到电－力耦合问题，因此采用此单元类型。
(1）主菜单栏－》Preprocessor－》Element Type－》Add/Edit/Delete , 出现对话框，点击Add…键，出现对话框，点击框图左边Solid, 选择右边框图中Brick 8node 45，点击Apply键，选定了一种Solid45单元。继续点击框图左边Coupled Field, 选择
右边框图中Scalar Brick 5，选定了Solid5单元，点击ok键。
从对话框中可以看出我们已经定义了solid45和solid5两种单元类型。点击close 键关闭窗口。
（2）保存文件：File- Save as ,出现对话框，保存文件名为 element.db
3．定义材料参数
查阅材料手册我们可以得到如下材料参数。 铝材料参数：
密度3
/2790m kg =ρ，杨氏模量2
10/1015.7m N E ?=，泊松比34.0=σ。
压电陶瓷PZT5的材料参数：（ANSYS 输入参数） 密度3
7750/kg m ρ=
刚度矩阵（也可输入柔顺矩阵）
2
10/1011.200000011.200000026.2000
0001.1152.752.700052.71.1254.700052
.754.71.12m N C E ??????????
???????????=
压电应力常数矩阵
2/0008.154.54.503.1200003.1200000
m c e ??
??
??????--=
介电常数矩阵
??
??
?
?????=830916916S ε
也可输入绝对值
m F m F S /10735.0000811.0000811
.0/10854.8830000916000916812--???
??
??????=????????????=ε
（1） 输入黄铜材料参数：主菜单栏－》Preprocessor->>Material Props －》Material
Models ,出现对话框，点击左边Material Model Number 1 ,点击右边Favorites －》Linear Static —》Density ，出现密度对话框，输入密度2790，点击ok 。
同样继续点击Linear Isotropic （线性各项同性）输入泊松比和杨氏模量。输入7.15e10和0.34，点击ok。
（2）输入PZT5材料参数：定义完一种材料参数之后要定义第二中材料，选择对话框‘Define Material Model Behavior’ 的菜单Material－》New Model…，出现对话框，材料添2（默认值也是2），点击ok。
定义第二中材料，首先定义PZT5 的密度。如图点击左边Material Model Number 2 ,点击右边Structural—》Density，输入7750，点击ok。
定义刚度矩阵，点击右边Structural—》Linear－》Elastic－》Anisotropic,输入参数D11=12.1e10，D12=7.54e10，D13=7.52e10，D22=12.1e10，D23=7.52e10，D33=11.1e10，D44=2.26e10，D55=2.11e10，D66=2.11e10
定义介电常数矩阵，点击右边Electromagnetics—》Relative Permittivity－》Orthotropic,输入参数PERX=8.11e-9 ,PERY=8.11e-9 ,PZRZ=7.35e-9
定义压电矩阵：点击右边Piezoelectrics—》Piezoelectric matrix,输入如下图
（3）保存文件matiral.db。
4．建立关键点
（1）首先在草稿纸上画出几何模型，指定好关键点的编号以及结构尺寸。
主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Create－》Keypoints－》In Actice CS，出现对话框如下图，根据指定好的编号即结构尺寸输入坐标。（注意，由于最后要转换到柱坐标系下分析，所以y即为旋转方向）
输入坐标为：
1 (0, 0, 0)
2 (0, 0, 0.5e-3)
3 (0, 0, 1.0e-3)
4 (10e-3, 0,0)
5 (10e-3, 0, 0.5e-3)
6 (10e-3, 0, 1.0e-3)
7 (17e-3, 0, 0)
8 (17e-3, 0, 0.5e-3,)
9 (20e-3, 0, 0)
10 (20e-3, 0, 0.5e-3)
11 (20e-3, 0, 10.5e-3)
12 (20e-3, 0, 13.5e-3)
13 (17e-3, 0, 10.5e-3)
14 (17e-3, 0, 13.5e-3)
15 (0, 0, 10.5e-3)
16 (0, 0, 13.5e-3)
输入完之后我们可以看到图形窗口中我们所定义的关键点
（2）保存文件：keypoints.db
5. 把关键点连成线
主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Create－》lines－》Straight Line
通过鼠标选取两个关键点就可以生成一条线，如此操作，把所有的线都连好，点击ok。
保存文件：line.db
6.把线段围成面
主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Create－》Areas－》By Lines
通过鼠标顺时针（逆时针）方向选择线段围成一个面积，如此操作，把所有的线都围成面。
保存文件：area.db
7. 旋转生成体积，并粘接
（1）主菜单栏－》Preprocessor－》Modeling －》Operate－》Extrude－》Areas－》About
Axis,
出现一个对话框，点击Pick All , 表示全部面都要旋转。之后又出现对话框，要求选择旋转轴，通过鼠标选择Z轴上的两个点，比如第1，3两个点，点击ok，出现对话框，要求说明旋转的度数，这里选择30度模型，输入30。点击ok，。
生成如下图的体。
－》Glue－》Volumes，
出现对话框，要求选择要粘接的体积，这里选择Pick All 表示所有体积都粘在一起。
（3）保存文件：volume.db
8．指定各部分单元类型以及材料属性
（1）指定金属壳的单元及材料属性：主菜单栏－》Preprocessor－》Meshing－》Mesh Attributes－》Picked Volumes
用鼠标点中金属壳的体积单元
出现对话框，材料参数选择1，单元类型选择1 SOLID45
Attributes－》Picked Volumes
用鼠标点中压电材料的体积单元
出现对话框，材料参数选择2，单元类型选择2 SOLID5
（3）点击ok ，保存文件material.db
9 .划分线段
为了网格单元数可以控制，我们采用手动划分网格，而不采用自动网格划分。
（1）首先对‘线段’划分，由于体积图看不清一些线的位置，先显示线段图，
实用菜单－》Plot－》Lines
(2) 主菜单－》Preprocessor－》Meshing－》Size Cntrls－》ManualSize－》Lines－》Picked Lines
选择这些线段，（比如压电片连同金属壳在压电片半径内划分为4单元），出现对话框，划
分单元数填4，表示这些线段都划分为4个单元，点击ok，
第21卷第3期 纺织高校基础科学学报Vol.21,No.3 2008年9月BASIC SC IENCES JOURNAL OF TEXTILE UNIVERSITIES Sept.,2008 文章编号:1006-8341(2008)03-0361-03 收稿日期:2008-03-21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10674090) 通讯作者:林书玉(1963-),男,山东省莱州县人,陕西师范大学教授,博士生导师,主要从事换能器的研究.E -mail:sx s - dsx s@https://www.doczj.com/doc/3312341727.html, 压电换能器静态匹配电路的研究 郭林伟1,2,林书玉1,许 龙1 (1.陕西师范大学应用声学所,陕西西安710062;2.榆林学院能源工程学院,陕西榆林719000) 摘要:为了研究压电换能器的工作安全性能,提高换能器的系统效率,根据压电换能器的工作原理,利用等效电路的方法,对换能器电端常见的几种静态匹配电路的阻抗、有功电阻和匹配电感进行分析与计算,即单个电感匹配、电感-电容匹配、改进的电感-电容匹配及T 型匹配,得出各种匹配电路的最佳匹配条件.结果表明,改进的电感-电容匹配电路是一种较理想的匹配电路. 关键词:压电换能器;有功电阻;匹配电感 中图分类号:T B 559 文献标识码:A 超声频电发生器能够提供一定频率及一定功率的超声频电能,要让此电能高效率的传输给换能器,必需在超声频电发生器与换能器之间设置匹配电路[1-2],且大功率超声设备能否高效而安全地工作,很大程度上取决匹配电路的设计.匹配电路主要有静态匹配和动态匹配2种,动态匹配一般用频率跟踪与功率跟踪技术[3-8] ;静态匹配是在超声频电发生器输出频率与换能器静态谐振频率相同的条件下,电端输出阻抗与换能器静态输入阻抗的匹配,它实用于要求换能器输出频率固定的应用场合,本文将对压电换能器电端常见几种电感-电容静态匹配电路进行分析,对于压电换能器的应用有极其重要的意义.1 匹配原理 超声波电发生器与换能器的电端匹配,一般要解决2个问题:调谐与变阻,以此来提高超声波电发生器与换能器间的功率与效率的传输[9-10].所谓调谐,即采用外加电抗性元件调节换能器的输入电抗,使输入相角趋近于零,以减少功率传输中的无功分量;变阻,即改变换能器的有功电阻,使之与超声波电发生器的输出阻抗相接近,以达到最佳功率传输.在一般情况下,采用输出变压器来达到阻抗变换的目的[11].本文利用电感和电容的串、并联组合来实现调谐与阻抗变换. 任何一压电式超声换能器,在其谐振频率附近均可用图1来等效.其中C 0为静态电容,它是在远低于谐振频率的频率上测出的换能器电容,是个真实的电学量.L 1、C 1和R 1分别是动态电感、动态电容和动态电阻,它们不是真正的电学量,而是从换能器的质量、机械顺性和损耗分别折算过来的等效参数.C 0所在的支路称作并联支路,L 1,C 1和R 1所在的支路则称作串联支路.由图1可求出换能器的阻抗为 Z =[R 1+j (X L 1-1/(X C 1))]/(j X C 0)R 1+j (X L 1-1/(X C 1))+1/(j X C 0) =R +j X.(1)根据匹配原理,在机械谐振时,X =0,即X =X s =1/L 1C 1 (X s =2P f s ,f s 为串联谐振频率),串联支路中仅剩下电阻分量.可见此时的换能器为一容性负载,需要用一个电感元件来与之调谐,从而/低消0C 0产生的容抗分量.
压电陶瓷及其测量原理 近年来，压电陶瓷的研究发展迅速，取得一系列重大成果，应用范围不断扩大，已深入到国民经济和尖端技术的各个方面中，成为不可或缺的现代化工业材料之一。由于压电材料的各向异性，每一项性能参数在不同的方向所表现出的数值不同，这就使得压电陶瓷材料的性能参数比一般各向同性的介质材料多得多。同时，压电陶瓷的众多的性能参数也是它广泛应用的重要基础。 （一）压电陶瓷的主要性能及参数 （1）压电效应与压电陶瓷 在没有对称中心的晶体上施加压力、张力或切向力时，则发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这一现象称为正压电效应；反之，在晶体上施加电场时，则将产生与电场强度成比例的变形或机械应力，这一现象称为逆压电效应。这两种正、逆压电效应统称为压电效应。晶体是否出现压电效应由构成晶体的原子和离子的排列方式，即晶体的对称性所决定。在声波测井仪器中，发射探头利用的是正压电效应，接收探头利用的是逆压电效应。 （2）压电陶瓷的主要参数 1、介质损耗 介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何电介质的重要品质指标之一。在交变电场下，电介质所积蓄的电荷有两种分量：一种是有功部分（同相），由电导过程所引起；另一种为无功部分（异相），由介质弛豫过程所引起。介质损耗是异相分量与同相分量的比值，如图 1 所示，C I 为同相分量，R I 为异相分量，C I 与总电流 I 的夹角为δ，其正切值为 CR I I C R ωδ1 tan == 其中ω 为交变电场的角频率，R 为损耗电阻，C 为介质电容。
图 1 交流电路中电压-电流矢量图（有损耗时） 2、机械品质因数 机械品质因数是描述压电陶瓷在机械振动时，材料内部能量消耗程度的一个参数，它也是衡量压电陶瓷材料性能的一个重要参数。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生能量损耗的原因在于材料的内部摩擦。机械品质因数m Q 的定义为： π2 的机械能 谐振时振子每周所损失能谐振时振子储存的机械?=m Q 机械品质因数可根据等效电路计算而得 11 1 11 R L C R Q s s m ωω= = 式中1R 为等效电阻（Ω），s ω 为串联谐振角频率（Hz ），1C 为振子谐振时的等效电容（F ），1L 为振子谐振时的等效电感。m Q 与其它参数之间的关系将在后续详细推导。 不同的压电器件对压电陶瓷材料的m Q 值的要求不同，在大多数的场合下（包括声波测井的压电陶瓷探头），压电陶瓷器件要求压电陶瓷的m Q 值要高。 3、压电常数 压电陶瓷具有压电性，即在其外部施加应力时能产生额外的电荷。其产生的电荷与施加的应力成比例，对于压力和张力来说，其符号是相反的，电位移 D （单位面积的电荷）和应力σ 的关系表达式为：dr A Q D == 式中 Q 为产生的电荷（C ），A 为电极的面积（m 2），d 为压电应变常数（C/N ）。 在逆压电效应中，施加电场 E 时将成比例地产生应变 S ，所产生的应变 S 是膨胀还是收缩，取决于样品的极化方向。
用ANSYS 软件分析压电换能器入门 A ：分析过程基本步骤 一：问题描述（草稿纸上完成） 1：画出换能器几何模型，包括尺寸 2：选定材料 3：查材料手册确定材料参数 二：建立模型 1：根据对称性确定待建模型的维数 2：根据画出的几何模型确定关键点坐标，给关键点编好号码 3：建立一个文件夹用于当前分析 4：启动ANSYS 软件，指定路径到建立的文件夹， 5：定义单元类型 压电换能器分析使用的单元类型： solid5：8个节点3D 六面体耦合场单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。无实常数。 plane13：4个节点2D 四边形耦合场单元（也可缩减为三角形单元）。无实常数。 solid98：10个节点3D 四面体耦合场单元。无实常数。 Fluid30：8个节点3D 六面体声学流体单元（也可缩减为三角柱形单元或四面体单元）。应用于近场水和远场水。实常数为参考声压，可缺省。 Fluid130：4个节点面无穷吸收水声学流体单元（也可缩减为三角形面单元）。实常数：半径，球心X ，Y ，Z 坐标值。 6：定义材料参数 对一般均匀各向同性材料要给出材料密度，杨氏模量，泊松系数。（静态分析不用密度） 对压电材料： 一般使用的压电方程：e 型压电方程，因此输入的常数为 ????????? ?????? ???? ?=E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c C 665655 464544 36353433 2625242322 161514131211对称 ???????? ??????????=6362 61 535251434241333231 232221131211 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ????????? ?=S S S S 3322 11εεεε 注意！一般顺序为：XX ，YY ，ZZ ，YZ ，XZ ，XY 。在ANSYS 中为XX ，YY ，ZZ ，XY ，YZ ，XZ 。因此，前两矩后三行和后三列要做相应变化。 7：建立关键点 8：把关键点连成线
超声波换能器 一种能把高频电能转化为机械能的装置。由材料的压电效应将电信号转换为机械振动。超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。 超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的超声波换能器。 换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。 压电陶瓷超声换能器工作原理 压电陶瓷是一种功能性陶瓷，所谓功能性陶瓷就是对光，电，等物理量比较敏感的陶瓷。压电陶瓷对光和压力比较敏感，对压电陶瓷施加一个外力，压电陶瓷表面会产生电荷，这就是压电陶瓷的正压电效应，是一个将机械能转化为电能的过程；对压电陶瓷外加一个电场，压电陶瓷会发生微小的形变，这就是压电陶瓷的逆压电效应，是一个将电能转化为机械能的过程。利用逆压电效应，可以把高频电压转化为高频率的振动，从而产生了超声波。 超声波换能器是将电能转换成机械能（超声波）的器件，其中最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。这种夹心换能器在负荷变化时产生稳定的超声波，是获得功率超声波驱动源的最基本最主要的方法。[1] 将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器，换能器是超声波设备的核心器件，其特性参数决定整个设备的性能。 现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。 我们主要生产大功率超声波换能器，应用与超声波塑料焊接机、超声波金属焊接机、各种手持式超声波工具、连续工作的超声波乳化均质器、雾化器、超声波雕刻机等超声波焊接设备。磁致伸缩 磁致伸缩有镍片换能器和铁氧体换能器。 铁氧体换能器的电声转换效率比较低，使用一、二年后效率下降，甚至几乎丧失电声转换能力。 镍片换能器的工艺复杂，价格昂贵，所以很少使用。 压电晶体 最成熟可靠的是以压电效应实现电能与声能相互转换的器件，称为压电换能器。 压电效应将电信号转换为机械振动。这种换能器电声转换效率高，原材料价格便宜，制作方便，也不容易老化。 常用的材料有石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅。 石英晶体的伸缩量太小，3000V电压才产生0.01um以下的变形。 钛酸钡的压电效应比石英晶体大20-30倍，但效率和机械强度不如石英晶体。 锆钛酸铅具有二者的优点，可用作超声波清洗，探伤和小功率超声波加工的换能器。 压电换能器的应用十分广泛，它按应用的行业分为工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等。 按实现的作用分为超声波加工、超声波清洗、超声波探测以及超声波雾化等。 编辑本段外形分类
“有限元分析及应用”课程有限元分析软件ANSYS6.xed 上机指南 清华大学机械工程系 2002年9月
说明 本《有限元分析软件ANSYS6.1ed:上机指南》由清华大学机械工程系石伟老师组织编写，由助教博士生孔劲执笔, 于2002年9月完成，基本操作指南中的所有算例都在相应的软件系统中进行了实际调试和通过。 本上机指南的版权归清华大学机械工程系所有，未经同意，任何单位和个人不得翻印。
目录 Project1 简支梁的变形分析 (1) Project2 坝体的有限元建模与受力分析 (3) Project3 受内压作用的球体的应力与变形分析 (5) Project4 受热载荷作用的厚壁圆筒的有限元建模与温度场求解 (7) Project5 超静定桁架的有限元求解 (9) Project6 超静定梁的有限元求解 (11) Project7 平板的有限元建模与变形分析 (13)
Project1 梁的有限元建模与变形分析 计算分析模型如图1-1 所示, 习题文件名: beam。 NOTE:要求选择不同形状的截面分别进行计算。 梁承受均布载荷：1.0e5 Pa 图1-1梁的计算分析模型 梁截面分别采用以下三种截面（单位：m）： 矩形截面：圆截面：工字形截面： B=0.1, H=0.15 R=0.1 w1=0.1，w2=0.1，w3=0.2, t1=0.0114，t2=0.0114，t3=0.007 1.1进入ANSYS 程序→ANSYSED 6.1 →Interactive →change the working directory into yours →input Initial jobname: beam→Run 1.2设置计算类型 ANSYS Main Menu: Preferences →select Structural →OK 1.3选择单元类型 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete… →Add… →select Beam 2 node 188 →OK (back to Element Types window)→Close (the Element Type window) 1.4定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural→Linear→Elastic→Isotropic→input EX:2.1e11, PRXY:0.3→OK 1.5定义截面 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Sections →Beam →Common Sectns→分别定义矩形截面、圆截面和工字形截面：矩形截面:ID=1,B=0.1，H=0.15 →Apply →圆截面：ID=2,R=0.1 →Apply →工字形截面：ID=3,w1=0.1，w2=0.1，w3=0.2，t1=0.0114，t2=0.0114，t3=0.007→OK
概念题： 1．换能器：能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量与电的信息和能量装换的装置，就称为电声换能器，简称换能器。 2．等效电路法：将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程，根据电路的规律可以得到电路状态方程，根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图来求得。（优点：物理意义明确，缺点：通常是一维分析，适用于简单结构） 3．有限元法：是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分析模型想象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将单元内部点的状态用单元节点状态的差值函数来近似描述。 这样就将实际的物理问题转化成求解单元节点状态的代数方程组问题。（优点：分析任意结构的换能器；结果直观准确；工作状态仿真；应用广泛） 4．居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度时压电性能会完全消失。5．自发形变：在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关，t>Tc(居里温度)，立方晶胞；t 时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用； 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。中国超声波论坛 二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则 PO='=1500W。则变压器初级的Ω 第三章医用超声换能器 应用超声波进行诊断时，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，通过使用超声换能器可以解决这个问题。 目前医学超声设备大多采用声电换能器来实现超声波的发射与接收。 声电换能器按工作原理分为两大类，即电场式和磁场式。 电场式中，利用电场所产生的各种力效应来实现声电能量的相互转换，其内部储能元件是电容，它又分为压电式、电致伸缩式、电容式。 磁场式中，是借助磁场的力效应实现声电能量的互相转换，内部储能元件是电感，它又分为电动式、电磁式、磁致伸缩式。 在医学超声工程中，使用的最多的是压电式超声换能器。 §3.1 压电效应与压电材料特性 一、压电效应 压电效应是法国物理学家Pierre Curie 和Jacqnes Curie 兄弟于1880年发现的。 图3-1 压电效应示意图 对某些单晶体或多晶体电介质，如石英晶体、陶瓷、高分子聚合材料等，当沿着一定方向对其施加机械力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个对应表面上便 产生符号相反的等量电荷，并且电荷密度与机械力大小成比例；而且当外力取消后，电荷也消失，又重新恢复不带电状态，这种现象称为正压电效应，如图3-1。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场(加电压)作用时，这些电介质晶体会在一定的晶轴方向产生机械变形；外加电场消失，变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应(电致伸缩)。 如果在电介质的两面外加交变电场时，电介质产生压缩及伸张，即产生振动，此振动加到弹性介质上，介质亦将振动，产生机械波。如外加交变电场频率高于20KHz，则这种波即是超声波。 超声接收换能器采用了正压电效应，将来自人体中的声压转变为电压。超声波发射换能器采用了逆压电效应，将电压转变为声压，并向人体发射。 压电效应是可逆的，压电材料既具有正压电效应，又具有逆压电效应。医学超声设备中，常采用同一压电换能器作为发射和接收探头，但发射与接收必须分时工作。 当外加的交变电压的频率与固有频率一致时，产生的机械振动最强；当外加的机械力的频率与固有频率一致时，所产生的电荷也最多。在超声波诊断仪中激励脉冲的频率必须与探头的固有频率相同。 实验证明，当所施加力或电的频率不与晶体固有频率一致时，压电换能器晶体产生的电信号幅度和变形振动幅度都将变小，可见，它们都是频率的函数。 二、压电材料 具有压电效应的物质称为压电材料或压电元件。 目前已发现的压电材料品种繁多，性能各异，按系列可分为三大类。 （一）压电单晶体 超声换能器应用的天然单晶体有石英、电石等，人工制造的单晶体，如硫酸锂、鈮酸锂等，都具有同样的压电特性。 石英晶体的性能相当稳定，但需使用几千伏以上的高电压，而且要求加工精密度高，机电耦合系数（灵敏度）低，故目前医用诊断探头已很少使用。 （二）压电陶瓷 压电陶瓷品种最多，它是人工制成的压电多晶体材料， 水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页） 1.1压电材料概述 1.1.1压电效应 1880年法国物理学家皮埃尔和雅各居里兄弟在研究石英晶体的物理性质时 发现：当 沿着晶片的某些方向施加作用力使晶片发生变形后， 晶片上相对的两个 表面会出现等量的正负电荷，电荷的密度与施加的力的大小有关， 这种现象称为 压电现象，具有压电现象的介质称为压电体。 压电效应反应了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合。 当对压电陶瓷施加 一个与极化方向平行的压力F ,如图1.1（ a ）所示，陶瓷片将产生压缩变形，片 内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极 上的自由电荷，有一部分被释放，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度 也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 这种由机械效应转 变为电效应的现象就是压电效应。 压电效应包括正压电效应和逆压电效应。 如图 所示： 图1.1压电效应示意图：（a ）正压电效应（b ）负压电效应 正压电效应：当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它的某些相对应的面 上产生 异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的极化现象称为正压电 效应。 逆压电效应：当压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生了形 变，这 种由电场产生形变的现象称为逆压电效应。 1.1.2压电陶瓷的诞生与发展 具有压电效应性能的陶瓷称为压电陶瓷， 1942年美国麻省理工学院绝缘 研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电 场方向择优取第一章绪论 向，除去电场后仍能保持一定的剩余极化，使它具有压电效应， 从此诞生了压电陶瓷。钛酸钡（BaTiO s ）陶瓷的发现促进了压电材料的发展， 它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电 性能上也有了大幅度提高。 当今广泛应用的压电陶瓷是PZT，即Pb Zr,Ti O3压电陶瓷，其压电效应强，稳定性好。它是由美国学者B.贾菲等人于1954年发现的PbZrO3 - PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷，其机械品质因数约为钛酸钡（BaTiO 3）陶瓷的两倍。此外， 若在PZT的组成中加入Pb Mg - Nb O3后将形成三元系压电陶瓷，这类压电陶瓷的性能更加优越，可适于多种不同的应用领域。 1.2压电材料的应用 自1942年第一个陶瓷型压电材料钛酸钡诞生以来，作为压电陶瓷的应用产品，已遍及人们生活的各个方面?压电材料作为机电耦合的纽带，其应用非常广泛，下面我们来举其中几例： ①声音转换器声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿童玩具上的蜂呜器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 ②压电引爆器自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索 姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20 世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。 ③压电打火机现在煤气灶上用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶 瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火 超声波换能器的匹配设计 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，V Am为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数 比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。则变压器初 级的 若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励 6.5Ω ?仪器设备? 声波测井压电换能器的一致性问题 沈建国李山生辛鹏来 (天津大学药学院检测中心) (东营 胜利测井公司) 吕殿中孙春明 (濮阳 中原油田测井公司)(南阳 河南油田测井公司) 沈建国,李山生,辛鹏来,吕殿中,孙春明.声波测井压电换能器的一致性问题.石油仪器,2002,16(6):33～35 摘 要 针对实际生产中存在的声波测井仪器的一致性比较差,发射声波能量和接收灵敏度比较低等问题,用声波测井波动声学的原理讨论声波测井频率对声波时差和声幅测量结果的影响。对于裸眼井声波测井波形中的首波来讲,其速度随频率变化比较小,但是,幅度受井孔的固有频率影响,随频率变化比较大。这样,声波测井仪器的压电换能器频率的一致性是影响仪器性能、造成上述问题的主要原因。用导纳圆测量的方法给出了确定声波测井压电换能器频率一致性的具体技术。为了提高仪器的性能指标,提出了配对更换压电换能器的仪器检修方法。 结合井内固有频率选择相应的声波测井仪器,可以达到增加针对性,减少盲目性,有效地提高测井成功率的目的。 关键词 声波测井 换能器 频率 幅度 作者介绍 沈建国教授,1963年生,1983年毕业于华东石油学院测井专业,1994年获得石油大学硕士学位,2000年获中国科学院声学研究所声学博士学位,2002年清华大学物理学博士后,现在天津大学专门从事声学理论和声波测井技术研究。邮编:300072 声波测井仪器存在的问题 从生产实际中发现,声波测井仪器主要存在下列问题: 1.声波测井时差“跳”,并且出现在砂岩目的层,没有办法计算孔隙度。 2.套管井内的首波不是严格地按照套管波的速度传播,这时,声幅测井的幅度不再直观地反映I 界面的胶结状态。幅度测井值偏高或偏低,与水泥胶结的实际情况不一致。 3.在井比较深时,声幅测井曲线值偏高20%。或者井比较深时,接收波形的幅度减小,发射能量低,接收灵敏度降低。 4.同一只仪器在不同的深度,其声幅曲线的一致性比较差。 5.不同的仪器之间测量结果的可比性比较差。原因分析 声波测井仪器测量的声波是在井内液体中传播的,这些波与地层中传播的波通过井壁相互耦合[1]。对于传播最快的首波(对于裸眼井测井指纵波滑行波,对于套管井来讲指套管波)来讲,由于声波在井内多次反射,圆形的井孔具有一系列的固有频率,或者说,井孔具有明显的频率选择。当声波仪器发射换能器发射的声波频率与井孔的固有频率接近或相等时,首波的幅度比较大;相反,则幅度比较小,或者根本不能够传播我们需要的首波。即对于一定的地层和套管井,只有某些频率能够在井内传播。 图1是用波动声学计算的裸眼井内液体中传播的声波[1],其横坐标是频率f,纵坐标是波数k,图1中的三条直线分别代表地层的纵波速度v p、横波速度v s和井内液体的声速v f。其中,以地层纵波速度传播(最快)的波随频率离散变化,在井孔的固有频率附近存在(能够在井内传播),在其它频率不存在,不能够传播。 换能器的几何尺寸确定后,也有一系列的固有频率,用于发射声波时,只能够发射这些频率的声波。当换能器的固有频率与井孔的固有频率接近时,发射换能器发射的声波才能够在井内激发出我 ? 3 3 ? 第16卷 第6期 石 油 仪 器 平面问题斜支座的处理 如图5-7所示，为一个带斜支座的平面应力结构，其中位置2及3处为固定约束，位置4处为一个45o的斜支座，试用一个4节点矩形单元分析该结构的位移场。 (a)平面结构(b)有限元分析模型 图5-7 带斜支座的平面结构 基于ANSYS平台，分别采用约束方程以及局部坐标系的斜支座约束这两种方式来进行处理。 (7) 模型加约束 左边施加X,Y方向的位移约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →-Structural→Displacement On Nodes →选取2，3号节点→OK →Lab2: All DOF(施加X,Y方向的位移约束) →OK 以下提供两种方法处理斜支座问题，使用时选择一种方法。 ?采用约束方程来处理斜支座 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Coupling/ Ceqn →Constraint Eqn ：Const :0, NODE1:4, Lab1: UX,C1:1,NODE2:4,Lab2:UY,C2:1→OK 或者?采用斜支座的局部坐标来施加位移约束 ANSYS Utility Menu：WorkPlane →Local Coordinate System →Create local system →At specified LOC + →单击图形中的任意一点→OK →XC、YC、ZC分别设定为2，0，0,THXY：45 →OK ANSYS Main Menu：Preprocessor →modeling →Move / Modify →Rotate Node CS →To active CS → 选择4号节点 ANSYS Main Menu：Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement On Nodes →选取4号节点→OK →选择Lab2:UY(施加Y方向的位移约束) →OK 命令流； !---方法1 begin----以下的一条命令为采用约束方程的方式对斜支座进行处理 CE,1,0,4,UX,1,4,UY,-1 !建立约束方程(No.1): 0=node4_UX*1+node_UY*(-1) !---方法1 end --- !--- 方法2 begin --以下三条命令为定义局部坐标系，进行旋转，施加位移约束 !local,11,0,2,0,0,45 !在4号节点建立局部坐标系 !nrotat, 4 !将4号节点坐标系旋转为与局部坐标系相同 !D,4,UY !在局部坐标下添加位移约束 !--- 方法2 end 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，VAm为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po 为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V， VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。则变压器初级的 Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损 Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3．要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方 你好，我正在做一个ANSYS的压电仿真的瞬态分析，我的问题是怎么在耦合的电极上加载正弦电压载荷？ 2010-09-09 16:012405401032|分类：电脑/网络|浏览2094次 我的命令流：/filename,fengming /prep7 et,1,plane42,,,1 et,2,plane13,7,,1 MP,ex,1,9.8e10 !黄铜 MP,nuxy,1,.32 MP,dens,1,7500 mp,dens,2,7750 !PZT材料密度 mp,perx,2,919 !介电常数 mp,pery,2,826 mp,perz,2,919 tb,piez,2 !压电常数 tbdata,2,-5.3512 tbdata,5,15.784 tbdata,8,-5.3512 tbdata,10,12.295 tbdata,15,12.295 tb,anel,2,,,0 !弹性常数 tbdata,1,1.2035e11,7.509e10,7.5179e10 tbdata,7,1.1087e11,7.509e10 tbdata,12,1.2035e11 tbdata,16,2.1053e10 tbdata,19,2.1053e10 tbdata,21,2.2584e10 k,1,0,0 !建模 k,2,1e-2,0 k,3,1.5e-2,0 k,4,1.5e-2,1e-4 k,5,1e-2,1e-4 k,6,1e-2,2e-4 k,7,0,2e-4 k,8,0,1e-4 l,1,2 l,2,3 l,3,4 l,4,5 l,5,6 l,6,7 l,7,8 l,8,5 l,8,1 l,5,2 al,1,10,8,9 al,2,3,4,10 al,5,6,7,8 type,1 mat,1 mshape,0,2D mshkey,1 amesh,1,2 type,2 mat,2 mshape,0,2D mshkey,1 amesh,3 nsel,s,loc,x,1.5e-2 !位移约束d,all,ux,0 d,all,uy,0 /solu !瞬态分析antype,trans trnopt,full tintp,,0.25,0.5,0.5 outpr,all,all outres,all,all kbc,1超声波发生器与换能器的匹配设计
第三章 医用超声换能器
201110水声换能器在水下探测应用中的发展
压电陶瓷振动的有限元分析ansys
超声波换能器的匹配设计
声波测井压电换能器的一致性问题
几个ansys经典实例(长见识)
超声波换能器的匹配设计
压电陶瓷ansys分析
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