纵向压电式换能器模态分析及实验研究

压电换能器的热仿真分析陈飞，傅波（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）摘要：压电换能器在工作过程中的发热，不仅会引起换能器的性能下降，而且还可能导致换能器失效。

基于传热学的基本理论，应用ANSYS 有限元分析软件，建立了压电换能器的热分析模型。

采用有限差分的数值求解方法，对换能器的整体温度场进行了求解，分析了前后质量块采用不同材料的Langevin 换能器的温度场分布规律，为大功率压电换能器的散热和性能优化方法的研究提供了基础。

关键词：压电换能器；发热；热仿真；有限元；温度场中图分类号：TP391.9；TP212文献标识码：A文章编号：1674-5124（2009）04-0104-03Thermal simulation analysis of piezoelectric transducerCHEN Fei ，FU Bo（College of Manufacturing Science and Engineering ，Sichuan University ，Chengdu ，610065，China ）Abstract:The heating of piezoelectric transducer not only lowers the efficiency of these devices ，but may alsolead to their failure.Based on the heat transfer equation ，the FEM thermal analysis model of piezoelectric transducer was established by means of ANSYS.The temperature field distribution of Langevin transducers with various material types was analyzed.The work provides a foundation for the thermal analysis and optimization of large power piezoelectric transducers.Key words:Piezoelectric transducer ；Heat ；Thermal simulation ；Finite element ；Temperature field收稿日期：2008-12-26；收到修改稿日期：2009-03-11作者简介：陈飞（1983-），男，四川成都市人，硕士研究生，专业方向为超声振动技术及应用。

基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究声-固-压电耦合的纵振水声换能器是一种将声能转化为电能的装置，其具有优良的水声传感特性，因此在海洋探测、水声通信和声学仪器等领域有着广泛的应用。

本文将对该换能器的工艺进行研究，以优化其性能和应用：1. 压电材料的选择和制备压电材料是实现声-固-压电耦合的关键组成部分，其性能直接影响到换能器的灵敏度和频率响应。

在选择压电材料时，需要考虑其压电系数、介电特性、机械强度和稳定性等指标。

对于纵振水声换能器而言，常用的压电材料有PZT等陶瓷材料和PMN-PT等单晶材料。

制备压电材料时，需要精确控制其成型工艺和烧结工艺，以获得高质量的压电材料。

2. 换能器结构设计与优化为了实现纵振水声换能器的高效能转换，需要进行合理的结构设计和优化。

换能器结构通常包括压电材料、负载阻抗和机械辅助结构等部分。

在设计过程中，需要考虑结构的稳定性、尺寸匹配和模态振动分析等因素，以达到最佳的换能效果。

同时，还可以通过改变负载阻抗和改进结构参数等手段，进一步优化换能器的性能。

3. 换能器的声-固接触方式实现声-固接触是实现声-固-压电耦合的关键环节。

换能器与周围介质（水等）的接触方式直接影响到换能器的灵敏度和频率响应。

常用的声-固接触方式有直接贴合接触、硅胶贴合接触和水胶贴合接触等。

为了获得较好的声-固接触效果，需要综合考虑换能器与介质的界面性质、耐水性和耐压性等因素，选择适合的接触方式。

4. 工艺流程的优化在实际制备过程中，还需要对工艺流程进行优化，以提高换能器的制备效率和性能稳定性。

包括材料的选用与处理、压电材料的成型和烧结工艺、结构组装和固定工艺等方面。

通过合理的工艺流程优化，可以降低制备成本，提高换能器的质量和可靠性。

5. 性能测试与分析最后，对制备好的纵振水声换能器进行性能测试与分析，以验证其设计与制备的准确性和可行性。

常用的测试指标包括灵敏度、频率响应、耐水性和耐压性等。

通过测试与分析，可以评估换能器的性能优劣，并为后续的应用提供参考。

用于压电换能器的频率跟踪驱动电路设计段誉;余厉阳;邹林【摘要】针对新的压电换能器损耗模型理论,设计并实现了跟踪最佳驱动频率的驱动电路.通过测量验证了最佳频率工作点的存在;利用LC滤波电路克服了电流振荡波形引起的干扰;对换能器进行阻抗匹配设计;通过数字锁相电路,结合FPGA多线程工作模式,实现了最佳频率跟踪.实验结果表明:在新的频率跟踪系统下,换能器的发热量降低为原来的一半,相较于定频系统运行更加稳定.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2018(031)009【总页数】6页(P1331-1336)【关键词】频率跟踪;压电换能器;最佳驱动频率;频率偏移【作者】段誉;余厉阳;邹林【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院,杭州310018【正文语种】中文【中图分类】O426.9现有理论认为压电陶瓷工作于其谐振频率时品质因数最高,因此压电换能器大都工作于谐振频率,驱动电路也常常根据换能器的谐振阻抗来设计,为了系统稳定工作而设计的锁频电路也都锁定在谐振频率。

但是,这一理论忽略了当不同压电损耗因子耦合时损耗会下降的情况。

最近由Shekhani和Uchino根据上述原理完成的实验证明[1-2],压电换能器的最高机械品质频率点出现在谐振频率和反谐振频率之间。

由于最佳驱动频率的高机械品质因数,此时的压电换能器获得了更高的效率,并降低了损耗减小了发热。

但是即使运行在最佳频率下,换能器的发热情况依旧明显,发热导致的频率偏移在固定频率的驱动方式下会导致工作效率大幅下降,因此本文根据这一现象,设计了一套针对最佳驱动频率运行原理的频率跟踪驱动电路。

在本文中,系统使用朗之万(Langevin)型压电换能器作为载体,验证了假设的可行性。

首先,通过恒定振动速度的测量方法测算出最佳驱动频率。

通过不同频率下实际输入功率的大小得出谐振与反谐振频率之间的最低功耗频率。

江苏科技大学本科毕业设计说明书压电换能器设计与能量获取特性研究学院船舶与海洋工程学院专业热能与动力工程学生姓名雍学国班级学号0640201134指导教师马哲树二零一零年六月第一部分：内容简介在人们生活环境中，存在许多低频率的外界振动，如：车子与船舶行进时的振动，人类行走时产生的晃等，而压电材料具有机电能量转换的特性，因此可将振动能转换成电能，以达到能源回收再利用的目的。

本论文针对单层压电悬臂梁在其自由端放置质量块的情况下进行低频振动的能量获取特性研究。

首先依据低频环境振动的特点，建立了以末端固定质量块的压电悬臂梁结构作为换能元件的振动能量采集装置的模型；然后，在对压电材料的特性、电流等效电路分析的基础上，推导出了能量采集装置谐振频率、输出电压及输出电功率的计算模型公式；进一步，结合现有的台湾成功大学的试验结果，对比了基于本人导出模型给出的理论结果和试验结果，二者相差不大表明本文模型的有效性和准确性；最后，给出了压电悬臂梁能量获取特性随几何尺寸和频率的变化规律。

第二部分：设计思想图1 压电悬臂梁的结构示意图图1给出的模型为压电悬臂梁两层结构，以PZT为压电薄膜材料，以不锈钢为压电悬臂梁型的结构。

通常微加工技术，在绝缘体上不锈钢存底上制备较厚的压电薄膜，不锈钢层作为主要弹性层。

为了降低谐振频率，在自由端固定以质量块，使之在环境振动频率下能够给实现共振，从而满足最大电能输出[15]。

工作时，质量块和压电悬臂梁一起振动，上下两个表面所受到应力相异，即上表面受到压应力，则下表面受到拉应力，反之亦然，因此上下电极所产生的电荷极性也相反。

依据正压电效应，压电层表面将产生电荷，从而在上下两个电极之间产生电势差，利用转换电路可将该电能输入到储能元件中，或直接作为微功耗负载的供电电源[16,17]。

第三部分：计算方法压电悬臂梁的工作原理是:在压电层的上下电极之间施加交变电压，由于逆压电效应，在压电层上将产生相应的变形从而带动微悬臂梁振动。

基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究耿鹏飞, 田杜养, 刘小光, 程彩霞, 冀邦杰(中船西安东仪科工集团有限公司, 陕西 西安, 710065)摘 要: 目前纵振水声换能器的设计过程只针对理想状态, 实际过程中生产工艺环节对后期换能器的相关电声性能也有一定影响。

文中利用有限元分析软件, 分别建立陶瓷环涂胶有限元模型、陶瓷环装配同轴度有限元模型以及预紧力装配有限元模型, 完成了对相关模型电声性能的仿真分析。

对比结果发现: 换能器涂胶粘接可以通过填补各零件端面间的微小空隙来提高压电陶瓷环的整体刚性, 进而使得综合弹性模量增大, 从而导致谐振频率增加, 换能器谐振频率随着粘接层厚度增大而减小, 随着残胶层厚度增大而增大; 陶瓷环装配同轴度高的换能器对应频率处电导也越高且发送电压响应曲线更加平滑, 毛刺明显减少; 施加到预紧力螺栓的预紧力越大, 带匹配层的换能器1阶和2阶谐振频率均增大且对应电导及发送电压响应也发生变化。

经过水池试验, 对比分析了仿真结果与试验结果, 其测试结果与仿真结果趋势具有较好的一致性。

关键词: 匹配层换能器; 陶瓷环涂胶粘接; 预紧装配; 同轴度; 有限元方法; 电声性能中图分类号: TJ630.34; U666.74 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2023)06-0958-08 DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0084Research on Process of Longitudinal Vibration Underwater Acoustic Transducer Based on Acousto-Solid-Piezoelectric CouplingGENG Pengfei,　TIAN Duyang,　LIU Xiaoguang,　CHENG Caixia,　JI Bangjie(CSSC Xi’an Dong Yi Science Technology & Industry Group Co.,Ltd, Xi’an 710065, China)Abstract: Currently, the design process of longitudinal vibration underwater acoustic transducers only focuses on ideal conditions, but the production process has a certain impact on the relevant electroacoustic performance of the underwater acoustic transducers. In this paper, finite element analysis software was used to establish finite element models for ceramic ring coating, ceramic ring assembly coaxiality, and pre-tensioning assembly to simulate and analyze the electroacoustic performance of the models. By comparing the results, it is found that the adhesive bonding of the transducer by filling the small gaps between the end faces of each component can improve the overall stiffness of the piezoelectric ceramic ring, thereby increasing the overall elastic modulus and causing an increase in resonance frequency. The resonance frequency of the transducer decreases as the thickness of the adhesive layer increases, and it increases as the thickness of the residual glue layer increases. Transducers with high coaxiality of ceramic ring assembly have higher conductivity at the corresponding frequency and a smoother voltage response curve, with significantly reduced burrs. As the pre-tensioning force applied to the pre-tensioning bolt increases, the first and second resonance frequencies of the transducer with a matching layer increase, and the corresponding conductivity and voltage response change. After a water pool test, the simulation results are compared with the experimental results, and the trend of the test results is consistent with that of the simulation results.Keywords: transducer with a matching layer; adhesive bonding of ceramic ring; pre-tensioning assembly; coaxiality; finite element method; electroacoustic performance收稿日期: 2022-12-02; 修回日期: 2023-04-06.作者简介: 耿鹏飞(1991-), 男, 工程师, 主要研究方向为结构设计及水下多物理场仿真.第 31 卷第 6 期水下无人系统学报Vol.31 N o.6 2023 年 12 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Dec. 2023[引用格式] 耿鹏飞, 田杜养, 刘小光, 等. 基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 958-965.0　引言纵振换能器是一种常用的大功率发射器, 能够以较小的质量和体积获得较大的声能密度, 从而广泛应用于超声和水声技术中。

压电薄球壳换能器瞬态响应的模型理论研究与实验验证法林张敏津张琦陈文辉丁鹏飞梁猛牟锦鹏汤少杰张运启摘要：基于傅里叶变换和线性叠加原理，建立了一种压电薄球壳换能器瞬态响应分析模型。

当换能器被多频电驱动信号或声波信号激励时，其瞬态响应可用一系列并联的等效电路构成的传输网络来描述。

对应于电/声信号中不同频率分量的每个等效电路都有各自不同的辐射力阻和辐射质量，每个频率分量都独立地作用于对应等效电路的电端/机械端上，所有等效电路中机械端/电端的累积输出信号就是辐射/测量的声/电信号。

论文在理论上给出了换能器的电一声转换/声一电转换可以存在的三种状态（过阻尼、临界阻尼和振荡模式）的解析表达式，为压电换能器的优化设计提供了一种理论依据。

在实际中，只有振荡模式才具有应用价值。

基于这种理论模型，对换能器的瞬态响应进行了理论计算和实验测量，计算结果与实验测量结果基本一致。

与以往发表的文献中所采用的假设声源模型相比，本文提出的换能器瞬态响应模型更为符合实际情况。

关键词：薄球壳压电换能器;冲击响应;线性叠加;并联等效电路网络;傅里叶变换引言压电材料所具有的特性是它的电一机/机一电转换能力，可将电能转换为机械能，也可将机械能转换成电能。

这种特性已被广泛用于地球物理勘探、电子工程和生物医学工程等领域中。

由于压电换能器具有噪音低、功耗小和机械尺寸小等优点，也被广泛地应用到声学实验测量、声波测井（包括井眼超声成像）、移动互联网通信、血管内超声、医学影像、测距仪、生物特征识别和植入式微型设备等电子装置中。

声波换能器的瞬态响应特性对于上述应用至关重要。

换能器的电-声/声-电转换对测量的声波信号质量有着重要的影响。

因此，提高换能器质量以及改善其瞬态响应的方法得到了广泛研究。

事实上，辐射的声信号不仅取决于换能器的物理和几何参数以及换能器周围耦合介质的物理参数，还与电驱动信号有关。

而测量的声信号（实际上是在接收换能器电端的电信号）与接收换能器的声一电转换以及周围耦合介质和传媒介质的特性有关，还与到达接收换能器的声信号特性有关。

压电薄球壳换能器瞬态响应的模型理论研究与实验验证压电薄球壳换能器是一种利用压电效应将机械能转换为电能或者将电能转换为机械能的装置。

它由压电材料制成的薄球壳构成，可以在外部施加机械应力或者电场刺激下产生变形，实现能量转换。

在许多领域中，压电薄球壳换能器具有广泛的应用，例如振动能收集、传感器、能量储存等。

对于压电薄球壳换能器瞬态响应的模型理论研究与实验验证是非常重要的，可以帮助优化设计和改进性能，因此这方面的研究具有重要的意义。

研究压电薄球壳换能器的瞬态响应需要考虑多个方面，包括材料性能、结构设计、能量转换原理等。

在理论研究方面，可以建立数学模型来描述其瞬态响应特性，通过计算和仿真来分析其工作原理和性能指标。

实验验证则可以通过搭建实验平台来对模型的准确性进行验证，并对实际性能进行测量和分析。

研究压电薄球壳换能器的瞬态响应需要对其结构和工作原理进行深入了解。

压电薄球壳换能器通常由压电材料和薄球壳构成，外加电极和机械载荷。

当外部施加电场或者机械应力时，压电材料产生压电效应，引起薄球壳的变形，从而实现能量转换。

在建立数学模型时，需要考虑材料的压电性能、结构的几何参数以及外部激励条件等因素，以及利用力学和电学原理进行分析和计算。

理论模型的建立需要考虑压电薄球壳换能器的瞬态响应特性。

在外部施加激励时，压电薄球壳换能器具有惯性、弹性和阻尼等特性，其响应过程是一个非线性、耦合的多物理场问题。

需要考虑不同时间尺度上的响应特性，包括静态和动态的响应、频率响应和时间响应等。

通过建立适当的数学模型和采用数值方法，可以对其瞬态响应进行分析和预测。

实验验证是对理论模型的重要补充，可以对模型的准确性和适用性进行验证。

搭建实验平台需要考虑制备压电薄球壳换能器样品、设计适当的测试装置以及选择合适的测量手段。

通过对实际样品进行测试和测量，可以获取其实际的瞬态响应特性，并与理论模型进行对比分析。

实验验证不仅可以验证模型的准确性，还可以为进一步优化设计和改进性能提供实际指导。

压电单晶双激励宽带纵向换能器季博成;蓝宇;周天放【摘要】为了提高纵向换能器发射响应和工作带宽,本文以压电单晶PMNT做为有源驱动材料,采用双晶堆不同尺寸反相激励的方式,同时激发出一阶、二阶纵振模态,从而提高纵向换能器发射响应,拓宽工作频带.通过四端网络法简化换能器的等效电路并计算其发射性能,利用ANSYS软件对模型进行优化设计并制作了试验样机,最终测试数据显示在工作频带27～65 kHz,最大发射电压响应值不低于150 dB,带内起伏小于12 dB.研究结果表明:理论计算、有限元仿真计算与实测结果基本吻合,利用双晶堆反相激励的方式可实现纵向换能器较宽频带工作.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)009【总页数】6页(P1472-1477)【关键词】压电单晶;双激励;纵向换能器;宽带;有限元;等效电路;四端网络法;PMNT;发射响应【作者】季博成;蓝宇;周天放【作者单位】哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TB565.1水声换能器是声呐设备中实现声波产生、发射和接收的装置，其性能的优劣一直是声呐系统以及水声技术发展的关键。

新型功能材料技术与性能的突破是换能器技术长足发展的根本，新型结构的设计也影响着换能器的性能[1]。

弛豫铁电单晶材料做为新型功能材料中性能较为突出的一种，d33是压电陶瓷的6～8倍，纵向机电耦合系数k33可达0.9，杨氏模量大概为压电陶瓷材料的1/3，从而有利于换能器实现小尺寸、大功率、宽带发射的性能指标[2-4]。

自压电单晶材料问世以来，其优越的压电性能和多方面应用一直是声学换能器的研究热点。

压电薄球壳换能器瞬态响应的模型理论研究与实验验证压电薄球壳换能器是一种新型的压电传感器，具有小尺寸、高灵敏度、宽频响等特点，在声学、电子等领域具有广泛的应用前景。

研究其瞬态响应模型理论，并进行实验验证，对于了解其工作原理、优化设计以及应用推广具有重要意义。

压电薄球壳换能器是利用压电材料的压电效应将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的装置。

其基本结构由压电材料和金属材料组成，其中压电材料通常为PZT（酚醛压电陶瓷）或PVDF（聚偏二氟乙烯）等。

在外界施加压力或电压时，压电材料发生形变或产生电荷，从而实现能量的转换。

对于压电薄球壳换能器的瞬态响应，我们可以从力学和电学两个方面进行理论模型的研究。

力学方面，可以采用薄壳理论进行分析。

假设薄球壳的半径为R，厚度为h，材料的弹性模量为E，泊松比为v。

施加压力或电压后，压电材料发生形变，导致薄球壳的变形。

利用应变能最小原理，可以得到压电薄球壳的平衡方程。

同时考虑到压电材料的压电方程，可以得到球壳的位移与电压之间的关系。

通过求解这个微分方程，可以得到压电薄球壳的瞬态响应。

电学方面，可以采用电路模型进行分析。

将压电薄球壳等效为电容和电感的并联组合。

在施加电压或压力后，电容会充电或放电，电感会储存或释放能量。

通过建立电路的微分方程，可以得到压电薄球壳的瞬态响应。

为了验证理论模型的准确性，可以进行实验来比较模型结果与实际数据。

可以采用激光干涉法测量压电薄球壳的位移，采用锁相放大器测量压电薄球壳的电压。

通过对比实验数据和模型结果，可以验证模型的可行性和准确性。

压电薄球壳换能器的瞬态响应模型理论研究与实验验证对于了解其工作原理和优化设计具有重要意义。

通过建立力学和电学模型，并进行实验验证，可以为压电薄球壳换能器的应用提供指导和支持。

希望本文的研究能够为相关领域的科研人员提供参考和帮助。

压电薄球壳换能器瞬态响应的模型理论研究与实验验证
压电薄球壳换能器是一种能够将机械能转化为电能或将电能转化为机械能的器件。

由于薄球壳结构具有良好的柔性和可变形性能，可以实现高效能量转换。

本文通过建立压电薄球壳换能器的模型并进行瞬态响应的理论研究与实验验证，旨在深入探究其工作原理和特性。

我们建立了压电薄球壳换能器的数学模型。

考虑到薄球壳的几何形状和材料的物理特性，我们利用力学平衡方程、电荷守恒方程和电场强度方程建立了压电薄球壳的运动方程和电场分布方程。

通过对这些方程进行求解，可以得到压电薄球壳的位移响应和电荷响应。

然后，我们针对建立的模型进行了理论研究。

根据模型，我们得到了压电薄球壳的位移与电荷之间的关系。

进一步分析可得到压电薄球壳的频率响应特性和阻抗特性。

通过理论分析，我们可以定量地评估压电薄球壳的性能指标，如灵敏度、频率响应范围和最大输出功率等。

我们进行了实验验证。

选择合适的压电材料和薄球壳结构，搭建实验装置，对压电薄球壳进行了频率扫描和电压激励实验。

通过采集和处理实验数据，可以与理论模型进行对比，验证模型的准确性和有效性。

实验结果表明，所建立的模型能够较好地描述压电薄球壳换能器的瞬态响应特性。

纵向压电式换能器模态分析及实验研究王应彪;刘传绍;王远;张庆文【摘要】The ultrasonic transducer is key part of ultrasonic and ultrasonic processing,The longitudinal piezoelectricity Compound transducer for ultrasonic processing have been developed whi1e drawn the ratitinal structure form and design parameter of high-power on the basis of studying the basic theores of ultrasonic transducer of power. The best vibration mode of the transducer and it's radiation terminal surface can be analyzed adopt finite element,in addition the longitudinal resonance frequency can be definite through the experiment,and the amplitude of the transducer raduation terminal surface have been shown that is the largest in resonance point; When frequency is sure, the amplitude increases with increase of the power,It is the farther from resonance point in frequency, the amplitude is reduced gradually.%超声换能器是超声加工乃至超声学的核心部件,在研究功率超声换能器基本理论的基础上,进行大功率纵向压电式复合换能器的研制,得出了适应超声加工的大功率纵向压电式换能器的合理结构形式和设计参数,确定了所用压电换能器结构参数及前后盖板振速比,并采用有限元法对换能器进行振动模态分析,确定换能器辐射端面的最佳振动模态及其纵向谐振频率,并通过实验研究加以验证.研究表明,换能器辐射端面振幅在谐振点处最大;当频率一定时,振幅随着功率的增大而增大,当频率离开谐振点频率越远,振幅逐渐减小.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2011(000)003【总页数】3页(P113-115)【关键词】纵向压电式复合换能器;固有频率;模态分析【作者】王应彪;刘传绍;王远;张庆文【作者单位】西南林学院,交通机械与土木工程学院,昆明,650224;河南理工大学,机械与动力工程学院,焦作,454000;西南林学院,交通机械与土木工程学院,昆明,650224;西南林学院,交通机械与土木工程学院,昆明,650224【正文语种】中文【中图分类】TH16;TB5521 引言超声换能器是超声振动加工装置中的关键组件之一，是超声加工乃至超声学的核心部分。

2021年第1期声学与电子工程总第141期基于Ma t l a b的压电换能器测试分析系统设计陈卫华杨茂祥(第七一五研究所，杭州，310023 )摘要压电换能器性能的优劣可通过其阻抗特性参数评价。

为了图形化显示阻抗特性曲线并自动判断换能 器性能，文章介绍了压电换能器等效电路的转换、阻抗特性参数的计算方法及基于Matlab的换能器测试软件的编写方法。

实现了测试过程的上位机控制，图形化和表格化显示压电换能器的压电参数等，对于换能器性能的自动化检测有一定借鉴意义。

关键词压电换能器；阻抗；测试系统在声呐设备生产过程中，需要对压电换能器的 压电特性参数进行多次测量并记录关键参数，一般 采用L C R测试仪对压电换能器的压电特性参数如 电阻、电抗、电导、电纳等参数进行测量，可完成 单点测量与扫频测量。

单点测量得到的参数有限，不能完成测量任务；扫频测量可得到部分参数的频 率特性，但有些参数不能获取，且参数不直观，测 试人员不能直接判断压电换能器是否合格。

且对于 不同产品，需判定的参数也不完全一致，因此需要 编写上位机软件对压电换能器的压电特性进行测 试分析。

Matlab为G U I开发提供了一个方便高效的 集成开发环境，如界面的外观、属性和回调函数等。

因此，本文基于Matlab编写了压电换能器测试分析 系统。

1压电参数的计算1.1等效电路在压电换能器的压电陶瓷上施加交变电场，由于逆压电效应，压电体上可产生各种模式的弹性形 变。

当外加电场的频率与压电换能器的固有频率一 致时，压电体就进入了稳定的机械振动状态m。

当只在压电陶瓷片上施加直流电压K时，它的自由端 面会产生位移，类似于弹簧受力而发生弹性形变。

设压电陶瓷片的弹性系数为h位移；c与其形变而 产生的弹力F大小关系为F=fcr。

由阻抗型力电变换 可得到F = AV(1)式中，J为力电转换系数，(A为纵向压e电应力常数，S为截面积，e为晶片的厚度），F为 压电陶瓷上所加电压。

纵向振动换能器低温性能浅析
孔东明
【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2016(000)003
【摘要】通过分析纵向振动换能器在低温条件下串联谐振频率和等效电阻参数变化情况以及产生的原因,提出防止在低温试验时损坏纵向振动换能器的措施.
【总页数】3页(P75-76,110)
【作者】孔东明
【作者单位】海军装备部,山西太原 030027
【正文语种】中文
【中图分类】TG27
【相关文献】
1.纵向振动换能器驱动元件机电等效参数的计算 [J], 洪有财;俞宏沛;杜纪新
2.多谐振纵向振动声换能器研究 [J], 赖东林;滕超;周瑜;冯杰
3.复合棒压电纵向振动换能器中的弯曲振动 [J], 贺西平
4.具有阻抗匹配层的宽带纵向振动压电换能器设计 [J], 陈航;张允孟;李志舜
5.一种大功率稀土纵向振动换能器的研究 [J], 夏铁坚;周利生;范进良;张铁鸣;曹荣因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

收稿日期:2004211212基金项目:陕西省教育厅专项科研基金资助项目(2004J K124)作者简介:贺西平(1965—),男,江西永新人,陕西师范大学副研究员,博士.文章编号:167224291(2005)0120060203复合棒压电纵向振动换能器中的弯曲振动贺西平(陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安710062)摘　要:采用有限元方法,研究了复合棒压电纵向振动换能器前辐射头两端自由及小端面中心固定时的弯曲振动模态及与几何尺寸之间的关系;探讨了换能器多模振动特性与前盖板几何尺寸之间的变化关系.结果表明,换能器前两个频率间距取决于前盖板前端直径与前盖板厚度之比,比值变大,两频率间距变小;比值变小,两频率间距将会拉大.关键词:复合棒型换能器;前辐射头;弯曲振动;有限元方法中图分类号:O426.1　文献标识码:AFlexural vibration of a compound bar piezoelectric transducerHE Xi 2ping(Institute of Applied Acoustis ,Shaanxi Normal University ,Xi ′an 710062,Shaanxi ,China )Abstract :By using commercial FE package (i.e.,ANSYS )in this paper ,for a single head simulating its boundary condition in a compound bar transducer ,its vibrating mode and relationships between the mode and its geometry size is analyzed for in 2air ;The longitudinal elementary frequency ,and coupling between transducer longitudinal and flapping on elementary frequency with dimensions of head is calculated.The results show that the distance between the first two modes for a com pound 2bar transducer depends on the ratio of the front diameter and the thickness of a transducer head.K ey w ords :compound 2bar transducer ;head ;flexural vibrating ;finite element method 夹心式压电换能器目前在超声和水声领域应用广泛.它结构简单、易加工,且利用了大的压电常数d 33,便于施加预应力,既方便用于超声处理,也适合用作构成大型换能器基阵的单元.通常将复合棒纵向振动型换能器的前盖板设计成喇叭形,目的是增大辐射面积,以利于向前辐射声功率,同时可利用它来调节Q m 值.超声清洗换能器便属于这种形状.由于辐射头的特殊形状,由计算和实验观测,在有源材料纵向振动的激励下,前盖板既有随换能器其它组件一起产生的纵向振动,又有由此引起平行于轴向的弯曲振动.超声清洗要求换能器工作时前辐射面为纯纵向振动,以利提高纵向振动声功率,因此出现弯曲振动是有害的[1,2].进一步研究表明,弯曲振动与换能器纵向振动的恰当耦合,会拉宽换能器的频带[3～5],喇叭头前盖板是这一耦合过程中的关键部件.文献[6]研究了换能器前辐射头与轴向平行方向的弯曲振动.本文分析计算前辐射头两端自由及小端面中心固定时在空气中的弯曲振动模态以及这些模态随其几何尺寸变化的关系;探讨换能器多模振动特性与前盖板几何尺寸之间的变化关系.这可为减小辐射头弯曲振动、实现换能器纵弯振动的耦合及设计宽频带换能器提供依据.1　前辐射头的弯曲振动1.1　喇叭头前后端面自由在换能器后端面(或称小端面)处加纵向谐振力,可激起喇叭头的弯曲振动.图1所示为喇叭头两端处于自由状态时有限元模型及弯曲振动基频模态.图中喇叭头后端面(小端面)直径为50mm ,前端面(大端面)直径为70mm ,厚度为30mm ,材料第33卷　第1期陕西师范大学学报(自然科学版)Vol.33　No.1　2005年3月Journal of Shaanxi Normal University (Natural Science Edition )Mar.2005　为硬铝.图1　自由状态喇叭头的有限元模型及弯曲振动模态Fig.1　Free 2body resonance mode shapes for a horna.有限元模型;b.弯曲振动模型对不同尺寸的喇叭头作大量计算,结果发现两端处于自由状态的喇叭头,其弯曲振动基频振型都与图1b 一致,由此可得出如下结论:(1)在其它尺寸不变的情况下,随着前端面直径的增大,弯曲振动基频将减小;(2)同一横向尺寸的喇叭头,厚度增大时,弯曲振动基频趋于一稳定值;(3)横向尺寸和纵向尺寸均可影响喇叭头的弯曲振动频率,但横向尺寸的变化对喇叭头弯曲振动频率值影响最大.这是因为与喇叭头轴向方向平行的弯曲振动频率主要取决于横向尺寸.1.2　喇叭头前端面自由且后端面中心处固定前盖板是复合棒型换能器中的一个组件,其后端面直接与其它组件通过螺栓紧贴.为模拟前盖板在换能器中组成的边界条件,对单独存在的喇叭头,在其后端面中心处的一个螺栓直径范围内,施加固定边界条件,其它部分施加纵向谐振力,以激起喇叭头的弯曲振动.图2和图3显示了两种不同尺寸喇叭头的弯曲振动基频和二次频振动模态.图2　后端直径50mm ,前端直径60mm ,厚度为12mm 的基频和二次频振动模态Fig.2　Deformed shapes of f irst tw o flexural modes for a transducer horn with small end and large end is 50mm and 60mm ,respectively ,its thickness in 12mm a.基频16.2kHz ;b.二次频54.8kHz通过计算可以发现:弯曲振动频率与喇叭头的几何尺寸存在如下规律:(1)在其它尺寸不变的情况下,随着喇叭头前端直径的增大,弯曲振动频率减图3　小端直径50mm ,大端直径60mm ,厚度25mm 的基频和二次频Fig.3　Deformed shapes of f irst tw o flexural modes fora transducer horn with small end and large end is 50mm and 60mm ,respectively ,its thickness is 25mm a.弯振基频17.4kHz ;b.弯振二次频48kHz小;(2)同一种横向尺寸的喇叭头,当厚度增大时,弯曲振动基频趋于一稳定值;(3)在喇叭头其它尺寸不变的情况下,前端面直径变化要大于厚度变化所引起的弯曲振动基频、二次基频改变的幅度,也就是说,喇叭头最大横向尺寸对弯曲振动频率起着主要作用.当大端面直径由60mm 变化到65mm 时,厚度为12mm 的喇叭头,二次频将由54.8kHz 减小到47.7kHz ,两个喇叭头的厚度变化相同尺寸时,二次频变化的幅度则不显著.1.3　实验测试为测试喇叭头后端面中心固定时的弯曲振动频率,采用图4所示的测试装置.图4　测试装置Fig.4　Experiment device of measuring flexural resonance frequency of a head为使辐射头的后端中心处于固定边界条件,用一螺杆将一大质量块与其中心连接,可近似看作固定边界条件.测试结果与计算值相吻合.若测试喇叭头前后两端面自由时的弯曲振动基频,将图4中的大质量块去掉即可.2　换能器的纵向振动与弯曲振动图5显示了前盖板为65mm ,厚度为25mm 的换能器纵向振动基频和由前盖板所引起的弯曲振动基频所对应的振动模态.计算出空气中的换能器多模态频率与前盖板几何尺寸之间的变化关系为: 第1期贺西平:复合棒压电纵向振动换能器中的弯曲振动61图5　前盖板为65mm,厚度为25mm的换能器前两次振动模态Fig.5　Deformed shapes of f irst tw o modes fora compound2b ar transducer large end diameterof horn is65mm,thckness is25mma.纵向振动基频为31.2kHz;b.前盖板弯曲基频引起的振动45kHz(1)喇叭头后端面中心处固定时出现的弯曲振动基频,在由该喇叭头作为前盖板的换能器中消失了,即换能器的基频为纵向振动基频,而换能器因前盖板所引起的弯曲振动基频与单独存在的喇叭头二次弯曲振动频率接近.这说明喇叭型前盖板是整体换能器其中的一个部件,它的中心部分与换能器中其它部件是连接在一起的.因此,在换能器振型中,前盖板所处的边界条件与单个喇叭头在前后两端面都自由时状态下的边界条件不同,它们的弯曲振动模态不同;(2)在前盖板其它尺寸不变的情况下,换能器纵向振动基频随着厚度和前盖板前端直径的增大而降低.两者相比,变化尺寸相同时,前者对纵向振动基频的降低影响较大,厚度的增加对弯曲振动基频的变化影响不大,且随着厚度的增大,弯曲振动基频趋于一稳定值.后者对弯曲振动基频的降低影响较大,前盖板前端直径的增加也使得换能器纵向振动基频频率降低,但降低幅度没有因前盖板厚度增加降低的大;(3)在所研究的换能器尺寸组成的范围内,换能器纵向振动基频要小于因前盖板弯曲振动引起的换能器弯曲振动基频;(4)换能器其它尺寸不变时,如果喇叭头前端直径相同,换能器前两个频率之差将随前盖板厚度增加逐渐增大,即两频率间距逐渐拉大,这是由于随着前盖板厚度增大,换能器的纵向振动基频降低,而弯曲振动基频却趋于稳定值,因此,换能器的纵向振动基频与前盖板的弯曲振动基频之间的间距将因纵向振动基频的降低而拉大.可以预料,在前盖板其它尺寸不变的情况下,前盖板厚度较薄时,换能器的纵向振动基频与前盖板弯曲振动基频之间的间距是比较小的.(5)在换能器其它尺寸不变的情况下,喇叭头厚度相同时,换能器前两个频率之差随着前盖板前端直径的增大而逐渐减小,即两频率间距逐渐拉小.3　结论综上所述,可以得出结论:换能器前盖板的弯曲振动基频与单独存在的喇叭头,在其后端面中心处固定时———这个固定区域的大小与换能器中螺栓直径相同,喇叭头弯曲振动的二次频率接近;换能器纵向振动基频小于因前盖板弯曲振动引起的换能器弯曲振动基频.且前两个频率间距取决于前盖板前端直径与前盖板厚度之比,比值变大,两频率间距拉小;比值变小,两频率间距将会拉大.参考文献:[1]Y ao Qingshan,Eif Bj rn .Broadband Tonpilz underwateracoustic 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