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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
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2011(000)003
【摘要】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.
【总页数】3页(P113-115)
【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;TB552
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压电换能器导纳的研究（实用版）目录1.压电换能器概述2.压电换能器导纳的定义及意义3.压电换能器导纳的测量方法4.压电换能器导纳的应用5.基于导纳的压电换能器性能评价6.结论正文一、压电换能器概述压电换能器是一种将机械振动能转换为电能或电能转换为机械振动能的装置，广泛应用于超声波检测、声波通讯、生物医学、能源转换等领域。
压电换能器的核心元件是压电陶瓷或压电聚合物，它们在受到机械应力时会产生电压，从而实现机械能和电能之间的转换。
二、压电换能器导纳的定义及意义压电换能器导纳是描述压电换能器在不同频率下电能和机械能之间转换效率的参数，它可以反映压电换能器的性能优劣。
导纳越大，表示压电换能器在某一特定频率下的能量转换效率越高。
因此，研究压电换能器导纳对于优化换能器性能具有重要意义。
三、压电换能器导纳的测量方法压电换能器导纳的测量通常采用阻抗分析法。
具体操作步骤如下：1.将压电换能器作为待测元件接入电路，通过测量电路中的电压和电流，得到压电换能器的阻抗；2.对压电换能器施加不同频率的正弦波电压，测量对应频率下的电流，得到压电换能器的导纳；3.将测得的导纳数据进行归一化处理，得到压电换能器在不同频率下的导纳圆图。
四、压电换能器导纳的应用压电换能器导纳的研究可以为实际应用提供有价值的参考信息。
通过分析导纳圆图，可以找到压电换能器在某一特定频率下的最佳工作状态。
此外，导纳还可以用于评价压电换能器的性能，为优化换能器设计提供依据。
五、基于导纳的压电换能器性能评价通过对压电换能器的导纳进行分析，可以对换能器的性能进行评价。
具体方法如下：1.计算压电换能器的平均导纳，以反映其在整个频率范围内的能量转换效率；2.分析导纳圆图中的交点，以确定压电换能器在某一特定频率下的最佳工作状态；3.根据导纳圆图的形状，评估压电换能器的性能优劣。
六、结论压电换能器导纳的研究对于优化换能器性能具有重要意义。
通过测量和分析压电换能器的导纳，可以找到其在不同频率下的最佳工作状态，为实际应用提供有价值的参考信息。
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。
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。
上海谐鸣超声设备有限公司谐鸣超声技术支持：电话013681952953（王工）、QQ 2564620565 1压电换能器的主要技术参数压电（超声）换能器的技术参数较多，大致有以下一些：1、灵敏度：指换能器转化能量的效率，高灵敏度表示高的转化效率；2、谐振（工作）频率：指换能器谐振时的频率，谐振时，换能器灵敏度趋于最高，该参数和系统紧密相关；3、指向性：指换能器辐射面各方向角度发射或接收信号的强度变化，一般测试换能器主声轴的一个平行截面，测距、定位、成像时需考虑该指标；4、盲区（余振）：指换能器余振或拖尾的严重程度，即驱动信号结束后，换能器自身惯性振动持续的时间，测距成像类换能器需检测该指标；5、耐温性：指换能器能正常工作的高低温极限；6、耐压力性：指换能器能正常工作的高低压力极限；7、电参数：指换能器本身的阻抗（导纳）、容值、感值等，和系统匹配相关；8、振幅：指换能器在固定驱动电压下的振动幅度，和灵敏度基本类似，利用换能器的动能时需参考该指标；9、电压极限：指换能器可加的最大电压值，大功率超声系统特别需考虑该指标，电压长期超过该值易引起压电陶瓷的退极化；10、密封性：指换能器在液体中的密封性，水下换能器需考虑该指标；11、耐腐蚀性：指换能器对腐蚀性环境抵抗能力，腐蚀性环境下应用需考虑该指标；12、带宽：指换能器灵敏度的平坦程度，或对不同频率信号的兼容程度；13、其他：如重量、体积、外形尺寸、外壳材料、信号引出方式、换能器安装接口类型等。
以上罗列的是换能器主要指标参数，不同的仪器设备、不同的应用环境和场合要求不太一样，有一定的选择性，并不是指标越多、要求越高越好，如有的场合要求指向性越尖越好，而有的场合又希望指向性的开角大些好。
此外，每增加一项考核指标，都会同时增加换能器制造者、使用者的工作量和成本，部分指标会导致换能器制造工作量和成本成倍的增加，这没有必要，只有选择和系统或使用场合相应的指标参数才是合理有效的。
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。
压电换能器及其超声参数测定实验注意事项压电换能器是一种能够将电能与机械能相互转换的器件。
在超声参数测定实验中，压电换能器起到了重要的作用。
本文将介绍压电换能器及其在超声参数测定实验中的注意事项。
一、压电换能器的原理和特点压电换能器是一种利用压电效应将电能转换为机械能的器件。
它由压电片、电极和负载组成。
当施加电压时，压电片会产生机械应变，从而产生声波。
压电换能器具有体积小、重量轻、响应速度快、频率响应宽等特点，因此在超声参数测定实验中被广泛应用。
二、超声参数测定实验注意事项1. 实验前准备：在进行超声参数测定实验之前，需要对压电换能器进行检查，确保其电极无损坏，并且与测量设备正确连接。
同时，还需根据实验要求选择合适的工作频率和电压。
2. 实验环境：超声参数测定实验需要在无干扰的环境中进行，以避免外界噪声对实验结果的影响。
实验室应保持安静，并确保实验台面平整稳固。
3. 实验安全：在进行超声参数测定实验时，应注意安全操作。
避免触摸电极和高压电源，以防触电事故发生。
同时，实验时应佩戴适当的防护眼镜和手套，以防止误伤。
4. 实验步骤：按照实验要求进行实验步骤，确保操作的准确性和实验结果的可靠性。
在实验过程中，注意调节电压和频率，以获取所需的超声参数。
5. 实验数据：在超声参数测定实验中，需要准确记录实验数据。
包括输入电压、输出电压、工作频率等参数。
同时，还需要记录压电换能器所处的环境温度和湿度等参数，以便后续分析和比较实验结果。
6. 数据处理：对实验数据进行合理的处理和分析，计算得到所需的超声参数。
在数据处理过程中，要注意排除异常值和误差，确保结果的准确性和可靠性。
7. 结果讨论：在实验结果讨论中，要对实验结果进行合理的解释和分析。
比较不同实验条件下的结果差异，并探讨可能的原因。
同时，还可以对实验结果进行图表展示，以便更直观地表达。
8. 实验总结：在实验总结中，要对超声参数测定实验进行全面的总结和评价。
包括实验过程中遇到的问题和解决方法，实验结果的可靠性和准确性等方面。
