介电弹性体卷形换能器设计与参数优化
《换能器技术》PPT课件
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UW350
UW600
SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m
SL:（max）188dB 频带：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐压：200m
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哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制的 甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz
性能指标及结构特点
特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。
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◆ Helmholtz换能器
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fr 2 MaCa
利用液腔谐振，实现小体积、低频发射
液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔谐振等）一起使用，可实 现宽带
溢流结构，几乎不受工作深度限制
工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的Helmholtz腔体结 构
两款常用的设计换能器有限元软件
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指向性圆管换能器有限元模型
弯张换能器1/8有限元模型
指向性圆管换能器模态分析结果
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指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
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电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。
主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验
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◆ 圆管换能器
压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。
新型弯张换能器——欧米伽换能器频率特性与形状参数关系
度阵中加入流体一 结构耦合 分量 ［ ］与 ［ ］ 分别用脚标 ， ＿和 ｓ 表流体 与结构 。 厂 代
值 ；ｅ ］ Ｒ ［ 指取 实部运算 。需要说 明的是 ， 计算结 果中的频 带 宽度指接收灵敏度 的 一３ｄ Ｂ带宽 ， 机械品质因数也用该 带宽 计算。采用 Ｐ Ｔ Ｈ材料 ， Ｚ５ 金属端 帽为黄铜 ， 并采 用参考文 献
量 ｛ 与结 构位 移向量 ｛ ｝ Ｐ｝ Ｕ 组合成 ， 而在广 义质量 阵、 广义 刚
ＦＦＶＳ ＝ Ｒｅ ２０ ｏ ｌｇ
Ｐ ｏ ｏ ｒ
／一１ ］ ２ ０
（） ４
＼ ９ ，，Ｊ Ｌ
其中： ｐ 指距 离换 能器 中心 处 的声压 ； Ｑ指 Ａ Ｓ Ｓ后处理 ＮＹ 器 中在正 电极 电压耦合 部 中选 取节点 序号最低 节点 的 电荷
第３ ３卷
第 ５期
四 川 兵 工 学 报
２ １ ５月 ０ ２年
【 武器装备理论与技术 】
新 型 弯 张换 能器
欧米伽换 能器频率特性与形状参数 关 系
王 雨虹
（ 海军工程大学 兵器工程系 ， 武汉 ４０ ３ ） ３ ０ ３
摘要 ： 设计 一种新型弯张换能器即欧米伽换 能器 ， 并对它 的频率特性 进行分析 。通 过有 限元分 析计算 了欧米 伽换能
ｍ 金 属 片 厚 度 ＝ ． ｍ， 电 陶瓷 片 厚 度 ＝１ｍ 随 ｍ， ０ ２ｍ 压 ｍ。
３
２４ 频 率特性 与陶瓷片厚度的关系 ．
本节除压 电陶瓷 片的厚度 外 ， 其余参 数为 ： 高度 空腔
日＝３ ４ｍｍ， ． 空腔顶部半径 Ｒ ＝１ ｍ， 电陶瓷 片半径Ｒ＝ ７ｍ 压
以看出， １ 第 阶谐振频率即基频．从 １ ２ ｚ 厂 ４Ｈ 下降到 １４Ｈ ， ２ ８ ｚ 且下 降趋势渐趋平缓 。从图 ２ ｂ 可 以看 出 ， （） 频带 宽度 △ 从 厂
径向振动匹配层换能器的设计参数及模态优化
ZHANG 等
效去除材料的 目 的
。换 能 器 内 部 结 构 形 式、元 件 尺
[
4]
寸及材料性能参数等都是影响振动辅助研磨加工效率
[
6]
推导了纵向振动换能器的机电耦合模
型,获得了换能器的共振频率及各阶振型,其将能量法
和等效电路法相 结 合,得 出 了 压 电 陶 瓷 尺 寸 对 机 电 耦
* 基 金项目:国家自然科学基金联合基金(
声阻抗 Z2 可表示为:
Z2 = Z1Z3
(
4)
根据空气介质匹配层换能器的结构及声波传输机
理可得,介 质 1 为 PZT–4 压 电 陶 瓷,其 声 阻 抗 约 为
6
2
-1
30.
00×10 kg/(m ·s ),介 质 3 为 空 气,其 声 阻 抗
6
2
-1
约为 440.
00 ×10 kg/(
m ·s ),根据传统理论的计
到迅速发展,并逐 渐 成 为 提 高 换 能 器 工 作 性 能 的 主 流
灵敏度,并拓宽 了 换 能 器 的 工 作 频 域。随 着 对 匹 配 层
技术 [15–16]。匹配层外 壳 有 效 提 高 了 压 电 换 能 器 电 声
模型的不断研究,学 者 们 提 出 了 诸 多 理 论 以 确 定 匹 配
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可调谐单晶片换能器的设计与性能研究
可调谐单晶片换能器的设计与性能研究近年来，微电子技术和声学材料科学的快速发展为谐振器的设计与性能研究提供了新的机遇。
可调谐单晶片换能器作为一种声学传感器，具有广泛的应用潜力。
本文将从设计原理、性能优化和实验验证三个方面探讨可调谐单晶片换能器的设计与性能研究。
一、设计原理可调谐单晶片换能器的设计原理主要基于压电效应和谐振器原理。
通过在压电材料上施加外加电压，可以改变材料的尺寸和形状，从而实现频率的可调谐性。
换能器中的压电材料通常采用PZT（铅锆钛酸铅），其具有良好的压电性能和稳定性。
在设计过程中，首先需要选择合适的谐振器结构。
常见的结构包括屈曲梁结构和薄膜结构。
屈曲梁结构具有高灵敏度和宽工作频率范围的优点，而薄膜结构则具有高频率和高谐振频率的特点。
根据应用需求选择合适的结构。
其次，需要进行材料的选择。
压电材料具有压电、介电和弹性特性，对换能器性能的影响非常重要。
在材料选择中，需要考虑材料的压电系数、介电常数、机械强度等指标。
最后，进行电路设计。
电路设计包括尺寸设计、电极设计和电压驱动设计。
在尺寸设计中，需要根据应用频率、尺寸限制等因素确定换能器的长度、宽度和厚度。
在电极设计中，需要考虑电极形状、布局和电阻等。
电压驱动设计中，需要确定合适的电压信号源和驱动电路，以实现可调谐性。
二、性能优化可调谐单晶片换能器的性能优化主要包括灵敏度、带宽和功耗等方面。
首先，灵敏度是一个重要的性能指标。
为了提高灵敏度，可以通过增加压电材料的厚度、增大谐振器的质量或者改善电极的设计来实现。
同时，合理选择工作频率和谐振器结构对提高灵敏度也具有重要作用。
其次，带宽也是一个关键性能指标。
带宽越宽，换能器的工作频率范围就越大。
为了提高带宽，可以采用双谐振器结构或者改变谐振器的尺寸等方式。
另外，优化电路设计和驱动方式也对提高带宽有一定影响。
最后，功耗是一个需要考虑的因素。
为了降低功耗，可以通过减小电极导线的长度、优化电路设计和驱动方式等方法来实现。
压电陶瓷性能参数解析
上角标S表示机械夹持条件。
由于在机械自由条件下存在由形变而产生的附加电场，而在机械受夹条件下则没有这种效应，因而在两种条件下测得的介电常数数值是不同的。
根据上面所述，沿3方向极化的压电瓷具有四个介电常数，即ε11T，ε33T，ε11S，ε11S。
〔2〕介质损耗介质损耗是包括压电瓷在的任何介质材料所具有的重要品质指标之一。
在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两局部：一种为有功局部〔同相〕，由电导过程所引起的；一种为无功局部〔异相〕，是由介质弛豫过程所引起的。
介质损耗的异相分量与同相分量的比值如图1-1所示，Ic为同相分量，IR为异相分量，Ic与总电流I的夹角为δ，其正切值为(1-4)式中，ω为交变电场的角频率，R为损耗电阻，C为介质电容。
由式〔1-4〕可以看出，IR 大时，tanδ也大；IR小时tanδ也小。
通常用tanδ来表示的介质损耗，称为介质损耗正切值或损耗因子，或者就叫做介质损耗。
处于静电场中的介质损耗来源于介质中的电导过程。
处于交变电场中的介质损耗，来源于电导过程和极化驰豫所引起的介质损耗。
此外，具有铁电性的压电瓷的介质损耗，还与畴壁的运动过程有关，但情况比拟复杂，因此，在此不予详述。
〔3〕弹性常数压电瓷是一种弹性体，它服从胡克定律："在弹性限度围，应力与应变成正比〞。
设应力为T，加于截面积A的压电瓷片上，其所产生的应变为S，则根据胡克定律，应力T与应变S之间有如下关系S=sT (1-5) T=cS (1-6) 式中，S为弹性顺度常数，单位为m2/N；C为弹性劲度常数，单位为N/m2。
但是，任何材料都是三维的，即当施加应力于长度方向时，不仅在长度方向产生应变，宽度与厚度方向上也产生应变。
设有如图1-2所示的薄长片，其长度沿1方向，宽度沿2方向。
沿1方向施加应力T1，使薄片在1方向产生应变S1，而在方向2上产生应变S2，由〔1-5〕式不难得出S1=S11T1(1-7)S2=S12T1(1-8)上面两式弹性顺度常数S11和S12之比，称为迫松比，即(1-9)它表示横向相对收缩与纵向相对伸长之比。
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转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。
SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。
提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。
PZT4(发射型)：低机械损耗和介电损耗，大的交流退极化场、介电常数、机电耦合系数、压电常数，适合强电场、大振幅激励，用作发射。
PZT5(接收型)：高耦合系数、压电应变常数，优异的时间稳定性。
PZT8(大功率发射型)：高抗张强度和稳定性，高机械Q值，适合大振幅激励。
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＜Tc，c边增大，a,b边缩小，四角晶胞(菱方晶胞)由于这种变化是温度变化时，晶胞自发产生的，因此称自发形变。
由于压电陶瓷具有钙钛矿结构ABO3t＞Tc(居里温度)，立方晶胞中正负离子的对称中心重合，不呈电性；t＜Tc，晶格变为四角晶胞，晶胞中正负离子的对称中心不再重合，产生电矩。
自发极化在居里温度Tc以下，晶胞发生自发形变的同时，又自发产生电矩，电矩的方向是沿着边长增大的方向，就是自发极化。
四角晶胞：电矩方向是c轴方向；菱方晶胞：电矩方向是菱方体的对角线方向。
极化强度：单位体积内电矩的矢量和。
压电陶瓷内部包含许多电畴，极化方向杂乱无章，沿空间各方向均匀分布。
因此电矩的矢量和为0，即极化强度为0。
这种状态，被称为去极化状态压电效应1．正向压电效应——压电陶瓷在受到外力作用时，除发生形变和内部产生应力外，还会产生极化强度和电位移，而且产生的极化强度和电位移与应变和应力成正比。
2.反向压电效应——压电陶瓷在受到电场作用时，除产生极化强度和电位移外，还会发生形变和内部产生应力，而且产生的应变和应力与极化强度和电位移成正比。
压电陶瓷的电位移在量值上等于电极面上自由电荷的面密度带宽在换能器的发射响应曲线上,低于最大响应3dB的两个频率差定义为换能器的-3dB频带宽度,简称带宽.指向性换能器或基阵的发射响应或接收灵敏度的幅值随方位角的变化而变化的一种特性.发射响应换能器或基阵在指定方向上,距其等效声中心1米远处所产生的球面波自由场声压与其输入端电学量之比声源级在声场中指定方向上,距其等效声中心1米远处所产生的球面波自由场声压对应平面行波的声强级辐射声功率描述发射器在单位时间内向水中介质中辐射能量多少的物理量机电耦合系数是在理想状态下定义的,在理想状态下未转换的能量不是损耗掉,而是以弹性方式或介电方式储存起来.有效机电耦合系数等效电路法换能器看为做机械振动的弹性体,依据波动理论可以得到他的机械振动方程;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求得复合棒换能器主要结构特点1为了得到大的前后盖板振速比,前盖板采用轻金属(硬铝,硬镁合金)后盖板重金属(钢,黄铜)2前盖板设计成喇叭形_降低Q值3压电片数目为偶数,相邻两片极化方向相反,并联连接4金属节板位于振动的节点上,用于固定换能器5用金属螺杆施加预应力,可以增加功率极限接收灵敏度1畸变系数当接受器放入声场后声波会在接收器表面发生衍射,实际作用在接收器表面的声压Pr与入射波声压Pf(自由场声压)的关系Pr=ｒPf (ｒ畸变系数)2种类自由场电压(电流)灵敏度声压灵敏的电压(电流) 3自由场电压灵敏度换能器输出端的开路电压eoc与放入换能器前置换能器处的自由场声压Pf的比值Me=eoc/Pf自噪声压电陶瓷在一定温度下内部分子的热运动产生的噪声(宽频噪声)自噪声的大小决定了水听器能够测量的有用信号的最小值.等效噪声声压设有一正弦波入射到水听器上,输出电压的有效值等于水听器上自噪声在1Hz 带宽上的均方根电压值,则入射声压的有效值称为等效噪声声压.指向性的技术指标主瓣指向性图中,中间波束具有最大声压,也称主波束旁瓣主波束两侧的波束称为旁瓣或次波束全开角主瓣幅度降为零所夹的开角波束宽度主瓣幅度降至0.707所夹的开角最大旁瓣级个数少使功率集中在主瓣,提高作用距离,便于判定目标方位.幅度小接收时,可以减少从旁瓣接收到的干扰信号和噪声指向性因数在声轴上,某一远场处的声强与同距离各方向的平均声强之比. 由于指向性因数是反映辐射能量集中程度的又称聚集系数物理意义一个有指向性的发射器,在主波束方向上,其远场中某距离处的声强比同等功率下无指向性发射器在同一点处产生的声强大Rθ倍指向性指数DI=10logRθ乘积定理具有指向性的基元组成的基阵,其指向性函数是基元本身的指向性函数与点源组成基阵的指向性函数的乘积应用要求使用乘积定理时基阵的指向性函数参考方向必须与阵中各基元的参考方向一致.。
哈尔滨工程大学学报 201007圆盘型弯张换能器研究
第31卷第7期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 V o.l 31l .72010年7月Jour nal ofH arb i n Engineeri n g U niversity Ju.l 2010do:i 10.3969/.j issn .1006-7043.2010.07.024圆盘型弯张换能器研究莫喜平1,戴郁郁1,2,刘永平1,柴 勇1,刘慧生1,2(1.中国科学院声学研究所,北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100029)摘 要:弯张换能器和弯曲圆盘换能器利用金属结构体的弯曲振动产生声辐射,是低频水声发射器广泛采用的结构形式.提出将两者联合的设计思想并设计研制了一种圆盘型弯张换能器,换能器结构中采用径向极化的压电陶瓷(PZT4)圆环驱动弯曲圆盘振动,圆盘的中间部分设计一个圆拱型内凹结构,其工作方式类似于V 型弯张换能器的单侧振动壳,圆盘外面的环形部分采用20mm 的均匀厚度,并且加工径向槽分割成16个均匀的扇形结构.研制了换能器样品,通过AN SYS 分析和水池测试得到换能器的电声性能:换能器谐振频率为1800H z ,最大发射电压响应为110dB ,最大声源级为170dB ,电声效率为76%.换能器样品直径210mm ,厚度46mm,重量仅3.8kg .结果表明:这种换能器具有低频小尺寸高效率的特点,在小型低频声纳发射系统和主动噪声控制系统方面将有良好的应用前景.关键词:圆盘型;弯张换能器;电声效率;有限元中图分类号:T B565.1 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2010)07-0963-04A disc flextensional transducerM O X -i p ing 1,DA I Yu -yu 1,2,L I U Y ong -p ing 1,CHA I Yong 1,L I U Hu-i sheng1,2(1.Instit ute o f A cousti cs ,Ch i nese A cade m y of Sc i ences ,Be iji ng 100190,Ch i na ;2.G raduate U n i v ers it y Ch i nese A cade m y of Sc-iences ,Be ijing 100029,Ch i na)Abst ract :Flex tensi o na l transducers and bender d i s c transducers are generally used as lo w frequency pr o jectors rad-i ating sound by the fl e xure of a m etal struct u re .The au t h ors developed a concept integ rati n g both ,and the resulti n g disc flextensional transducer w as tested .In the desi g n a rad ially po larized p i e zoe lectric cera m ic (PZT4)ri n g w as used to drive a bending d isc .The a vau lted roo f i n its center section w as si m ilar to the si n g le -sided she ll of a class V flextensional transducer .The outer c ircular section of the d isc ,w ith a th ickness of 20mm ,w as div i d ed i n to 16u -n ifo r m fan -shaped pieces ,each separated by gaps .The electr o -acoustic perfor m ance of the pr o totype of t h e disc flextensional transducer w as si m u l a ted by ANSYS soft w are and a lso m easured i n a w ater tank .The m ax i m u m trans -m itti n g voltage response leve lw as 110dB and the m ax i m um source leve lw as 170dB .A t the resonance frequency of 1,800H z ,t h e electr o -acoustic e ffi c iency w as 76%.The dia m eter o f the transducer is 210mm,the thickness is 46mm ,and the w e i g h t is 3.8kg .The resu lts sho w ed t h at t h e transducer is capable o f generati n g lo w frequenc ies ,is s m a l,l and is h i g hly e fficien.t It w ill be w ell su ited for applicati o ns requiring m i n iature lo w-frequency sonar trans -m issi o n syste m s and lo w-frequency acti v e no ise contro l syste m s .K eywords :d isc ;flextensional transducer ;electroacoustic efficiency ;FE M 收稿日期:2010-05-17.作者简介:莫喜平(1966-),男,研究员,博士生导师,E-m ai:l moxp@m ai .l i oa .ac .cn ;通信作者:莫喜平.弯张换能器是利用压电陶瓷堆或磁致伸缩棒的纵振动来激励具有振幅放大效应外壳(或桶条梁)辐射面作弯曲振动的一类换能器,常用的弯张换能器根据其结构特点分为7种类[1],其中Ñ、Ò、Ó型具有共同特点)))由纵振动棒激发旋转对称弯曲壳体,壳体可以是连续结构也可以是切缝加工成一组梁的结构,亦可设计成2节或2节以上结构展宽频带和增大发射功率;Ô型和×型具有共同特点)))换能器由纵振动棒激发凸形或凹形椭圆壳体的弯曲振动实现大功率辐射;Õ型和Ö型具有共同特点)))换能器由圆环径向振动激发凸形或凹形球冠壳体的弯曲振动实现低频大功率辐射.弯张换能器的各种形式也是人们利用了弯曲-伸张的基本概念,通过创新设计而产生的新型结构,其实目前广泛投入使用的弯张换能器已经不仅限于这7种类型[2].随着换能器建模技术的发展和有限元计算工具的普及使复杂结构换能器的设计研究得到长足的发展,其中弯张换能器的发展可以归纳成几种趋势:1)改善结构、提高换能器功能材料的驱动潜能、通过优化结构增大体积位移输出、实现大功率辐射,如鱼唇式弯张换能器[3]采用了变高度椭圆壳的振幅放大效应与面积加权作用提高声辐射能力;2)在有限体积内增加功能材料的体积比,从而增加换能器的体积优值系数[1],如辐射面多边星型(A stro i d)[1]弯张换能器,又如星型激励V型弯张换能器[4],该设计中采用了8只压电堆组成星型激励V型(碟形)弯张换能器,谐振频率860H z、发射电压响应134dB,理论估算声源级200dB;3)增到换能器的结构尺寸实现更大声源级和更低频率的声辐射,如美国LFA主动声纳声呐阵换能器发射声源级为215dB,工作频带为100~500H z[5];4)弯张换能器的宽带设计,如采用压电和稀土材料联合激励实现低频宽带的发射性能[6];5)小型化设计,如钹型(Cy mbal)换能器即是一种类似于V型弯张换能器的结构形式,由一个PZT压电陶瓷圆片与一对金属帽粘接起来构成,文献[7]报导的钹型换能器水中谐振频率16.1k H z,发射电压响应130dB,并用这种换能器研制了9元基阵.本文将提出一种新的弯张换能器小型化设计思想.1圆盘型弯张换能器的工作原理如图1所示,图1(a)为振动圆盘的扇形面,圆心角为H,圆盘的工作方式如图1(b)所示,压电陶瓷环嵌入圆盘的中心部分内凹的拱形腔内,压电陶瓷环作径向振动,激励圆盘弯曲振动,类似于V型弯张换能器.一阶振动模在r=r0处有一节线,节线内侧与外侧振动相互反相,圆盘的厚度随r而变,记为H(r),圆盘的弯曲振动产生法相位移为V(r),忽略压电陶瓷环的法相方向振动贡献,则圆盘的法相振动造成节线两侧动量分量应该相等:Q r0Q V(r)r H H(r)d r=Q R r0Q V(r)r H H(r)d r.(1)图1圆盘型弯张换能器工作原理图F i g.1Sketch of d i sc fl ex tensiona l transducer式中:Q为振动圆盘的密度.设计圆盘节线外侧的厚度为恒定值H0,节线内部区域可以等效一个参考厚度H e:H e=Q r0V(r)r H H(r)d rQ r0V(r)r H d r.(2)于是由式(1)可以得到Q r0V(r)r H d rQ Rr0V(r)r H d r=H0H e.(3)由式(3)可以发现,左边是节线两侧体积位移的比值,为了得到较好的辐射输出,应该设计使这个比值远远大于1.因此设计中应该使振动圆盘中心内凹部分的厚度尽量小,从而得到更大的体积位移输出.在设计中为了减少边缘较厚圆盘横向耦合对弯曲振动的抑制作用,采取径向切槽处理,将圆盘均匀分成16等分.#964#哈尔滨工程大学学报第31卷2 圆盘型弯张换能器的有限元建模与模拟分析圆环激励的圆盘弯曲振动可以利用ANSYS 有限元软件建模分析,分析模型为1/16圆的扇形结构,加对称边界条件等效成圆盘型弯张换能器的完整模型.模型结构参数:圆盘直径为 200mm,厚度为20mm,内凹部分直径为 64mm,与压电陶瓷环外径相配合,内凹部分最大厚度为10mm ,圆盘中心点厚度为3mm,圆盘材料为硬铝,圆盘均匀切缝,缝宽为3mm.PZT4压电陶瓷环,径向极化,几何尺寸为 64mm @ 51mm @7.5mm.图2 换能器一阶弯曲模位移矢量图F i g .2 D isplace m ent vec t o r d isplays of first flexura lmode图3 换能器水中导纳曲线的计算结果F i g .3 A d m ittance o f transducer under w ater (ca lcu l a ted)材料参数参见文献[8].用ANSYS 软件进行了模态分析、水中谐波响应分析和发射特性计算,图2为换能器一阶弯曲模位移矢量图,图3为换能器水中导纳曲线计算结果,图4为换能器水中导纳圆图,图5为换能器发射电压响应曲线计算结果.结果表明:换能器空气中谐振频率为2.08k H z ,节线位置在r 0U 0.7R 处;水中谐振频率为1.8k H z ,谐振频率下发射电压响应109.5dB (0dB =1V /L Pa at 1m ),谐振频率下等效电阻为1.3M 8.图4 换能器导纳圆图F i g .4 A d m ittance circle diag ra m of transducer图5 换能器发射电压响应计算曲线F ig .5 T rans m itti ng vo ltage response (calcu lated)3 圆盘型弯张换能器的样品研制换能器实际制作采用如图6所示的封装模式,单面辐射,背侧用去耦隔振垫板与外壳振动隔离.图7为换能器振动部分的实物照片,图8为换能器封装后的照片,换能器外观尺寸为 210mm @46mm 重量3.8kg ,研制了2只换能器样品,在水池测试得到如图9所示的发射电压响应结果.测试结果与计算值吻合很好:2只换能器的谐振频率为1.8kH z ,谐振频率下发射电压响应110dB(0dB =1V /L Pa at 1m ),工作电压1000V,最大声源级170dB .该换能器具有远小于水中波长的几何尺寸,换能器在谐振频率下发射为全向,根据上述结果,可以计算换能器的电声效率为76%.#965#第7期 莫喜平,等:圆盘型弯张换能器研究图6 换能器封装示意图F i g .6 Sketch of t he transducerstructure图7 换能器振动部分照片F i g .7 Photograph o f thedisc图8 换能器封装后实物照片F i g .8 Pho tog raph o f thetransducer图9 2只换能器发射电压响应测试结果F ig .9T rans m itti ng vo ltage response o f t w o transducers (m easured)4 结束语设计研制了小尺寸、高效率的圆盘型弯张换能器,换能器具有中等发射声源级和薄型结构尺寸,对于小型水声发射系统、低频主动消声和减隔振系统有潜在的应有优势.若对于圆盘振动模式的节线位置进行优化调整,使式(2)得到的比值增大,会使系统的发射能力进一步提高,如此可在边界条件控制上寻求技术途径,如采用边缘简支边界条件,使圆盘振动面上没有内部节线,这样可以获得最大的发射能力,同时会由于辐射阻增加和等效质量增大,将使谐振频率进一步降低.参考文献:[1]S H ERMAN C H,BUTLER J L.T ransduce rs and arrays fo runder w ate r sound [M ].N ew Y ork :Spri nger ,2007:16-136.[2]莫喜平.第三讲让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术[J].物理,2006,35(5):414-419.M O X i ping .Innova tions f o r sonar :new technology and de -si gns for underwa ter acoustic transducers [J ].Physics ,2006,35(5):414-419.[3]M O X i p i ng ,Z HU H ouqi ng .A ne w t ype of lo w frequencyh i gh po w er terfeno -l D unde r w ater acoustical transducer [J].A cta A custica ,2002,88:796-798.[4]李朝晖,黄爱根,栾桂冬,等.一种具有紧凑结构的860H z 大功率发射换能器研制[J].声学技术,2006,25(增刊):563-564.L I Zhaohu,i HUANG A i gen ,LUAN G uidong ,et a.l An 860H z co m pac t structural and h i gh -powe r transducer [J].T echn ical A cousti cs ,2006,25(Supple m ent):563-564.[5]PO PPER A N,HALVOR SEN M B ,KANE A,et a.l T heeffects o f h i gh -i ntensit y,l ow-frequency acti v e sonar on ra i n -bow trout[J].T he Journa l of the A coustical Soc i ety of Am er -i ca ,2007,122(1):623-635.[6]CHA I yong ,MO X i pi ng ,L I U Y ongpi ng ,et a.l A hybridmagnetostricti v e -p i e zoelectr ic barre-l stave pro j ec t o r [J ].Ch i nese Journa l o f A cousti cs ,2006,25:371.[7]TRESSLER J F,NE W NHAM R E ,HUGHES W J ,e t a.lCapped cera m i c under w ater sound projector :t he /cy m ba l 0transducer [J].The Journa l of t he A coustica l Soc i e ty of Am erica ,1999,105(2):591-600.[8]莫喜平.AN SY 软件在模拟分析声学换能器中的应用[J].声学技术,2007,26(12):1279-1290.M O X i pi ng .S i m u l a tion and analysis of acousti cs transducersus i ng the AN S Y S so ft wa re[J].T echnical A cousti cs ,2007,26(12):1279-1290.[责任编辑:马兰兰]#966#哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第31卷。
一种弯曲振动压电换能器的设计
一种弯曲振动压电换能器的设计周瑜【摘要】介绍了弯曲振动形式的压电陶瓷换能器,该换能器由两个并联粘接的压电陶瓷圆片、振膜和外壳组成.分析了换能器在不同边界条件下的振动模式,计算并优化压电陶瓷片的尺寸,推导出谐振频率,使换能器工作在2.5 ～4.5 kHz.该换能器作为收发合置换能器使用,在消声室测试,其灵敏度大于89 dB,平均接收灵敏度大于22mV/Pa.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2013(037)007【总页数】3页(P15-17)【关键词】压电陶瓷;换能器;有限元;边界条件【作者】周瑜【作者单位】中国电子科技集团公司第三研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN712.51 引言压电陶瓷换能器是一个常规的换能器种类，而弯曲振动压电陶瓷换能器具有谐振阻抗低、易于匹配外部电路、易于施加阻尼、结构简单、功耗小、动态范围大等优点。
在环境适应方面，也有优异的时间和温度稳定性，适合特殊环境下的使用要求。
本文设计的压电陶瓷换能器具有发射声波和接收声波的功能。
PZT－5压电陶瓷材料有高耦合系数和高压电应变常数，因此采用PZT－5陶瓷材料作为换能器的能量转换单元。
经测试，其工作频带为2．5 ～4．5 kHz，在空气中的灵敏度大于 89 dB，平均接收灵敏度大于22 mV/Pa。
2 换能器设计2．1 模型建立换能器包括外壳、振膜和压电陶瓷片三个部分，换能器的尺寸为Ф50 mm×60 mm，外壳材料是ABS塑料，在外壳上安装了声波反射帽，防止雨雪对纸质振膜产生腐蚀，损坏部件，换能器结构图如图1所示。
压电陶瓷片的中心位置粘接一纸质振膜，和压电陶瓷同时振动，起到振幅放大的作用，增加压电陶瓷片的辐射效率，提高了换能器的灵敏度。
图1 换能器结构图压电陶瓷换能器的振动是由压电陶瓷片的径向振动引起的弯曲振动模式。
本文忽略辐射阻尼和损耗，对换能器的振膜边缘施加不同边界条件，计算换能器的谐振频率。
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ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ ｉｎ Ｍ ａｔｌａｂ／Ｓｉｍ ｕｌｉｎｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍ ｅｎｔ． Ｔｈｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｒｉｎｇ ｃｏｅｆｌｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｎ ｉｔｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｂｙ ｍ ａｋｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｒｏｌｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍ ｅｒ ｒｏｌｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｗｅｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｅｎｓｉｌｅ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ． Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｎｓｉｌｅ ｍｏｄｅ． ｉｎｉｔｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｔｒｅｔｃｈ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ． ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗａｓ ｉｎｅｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ． Ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｂｏｕｔ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍ ｅｒ ｒｏｌｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍ ｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋ ｅｙ ｗ ｏｒｄｓ：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍ ｅｒ； ｒｏｌｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｐｕｒｅ ｓｈｅａｒ； ｓｐｒｉｎｇ； ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｄｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ （ＤＥ） ａｒｅ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｓｍａｒｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｈａｔ ｅｘｈｉｂｉｔ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｓｉｚｅ ｏｒ ｓｈａｐｅ ｗｈｅｎ ｓｔｉｍ ｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ， ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍ ａｘｗｅｌｌ’Ｓ ｅｆｆｅｃｔ． Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｉｎ ｐｕｒｅ ｓｈｅａｒ ｔｅｎｓｉｌｅ，ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｒｏｌｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｗｉｔｈ ｐｒｅｓｔｒｅｔｃｈ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗａｓ ｍ ａｄｅ ｂｙ ｓｐｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍ ｏｄｅ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｉｆｌ ｐｕｒｅ ｓｈｅａｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｎｅｏ— Ｈ ｏｏｋｅｎ ｍｏｄｅ１． ａｎｄ ｔｈｅ
２ ０ １ ８年５月
农 业 机 械 学 报
ｄｏｉ：１０．６０４１／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１２９８．２０１８弹 性体 卷 形换 能器 设 计 与 参数 优 化
曹 建 波 任 钰 雪 鄂 世 举 夏 文 俊 张海 艇 朱 喜 林
（浙 江 师 范 大 学 ５１２学 院 ，金 华 ３２１００４）
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐａｒａｍ ｅｔｅｒ Ｏ ｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍ ｅｒ Ｒｏｌｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ
ＣＡＯ Ｊｉａｎｂｏ ＲＥＮ Ｙｕｘｕｅ Ｅ Ｓｈｉｊｕ ＸＩＡ Ｗｅｎｊｕｎ ＺＨＡＮＧ Ｈａｉｔｉｎｇ ＺＨＵ Ｘｉｌｉｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｈｕａ ３２ １ ００４，Ｃｈｉｎａ）