纵向压电式换能器模态分析及实验研究

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压电换能器的热仿真分析

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

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

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。

毕业设计--压电换能器设计与能量获取特性研究

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

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

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

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。

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能器进行振动模态分析，定换能器辐射端面的最佳振动模态及其纵向谐振频率，确并通过实验研究加
：以证。表明，器射端面在验研究换能辐振幅谐振点处最大；频率一当定时，振幅随率的着功增大而增
；大，当频率离开谐振点频率越远，振幅逐渐减小。
（ｏｅｅｆｏｕｉｔｎＭａｈｎｒａｄＣｖｌｎｉｅｒｇＳｕｈｅｔｏｅｔｎｖｒｉ，ｕｍｉ５２４ＣｉａｌｇｍｍｎｃＫｎｎ６０２，ｈｎ）ＣｌｏＣａｏｉＥｎｒＵｔｇ（ｃｏｌｆｃａｉｌｎｏｅｎｉｅｒｇＨ ’ａｏｙｅｈｉＵｉｅｓｙＪｏｕ５００Ｃｉａ２ｈｏｏｈｎｃｄＰｗｒｇｎｅｉ，ｅｎｎＰｌｔｎｃｎｖｒｉ，ａｚｏ４０，ｈｎ）ＳＭｅａａＥｎｃｔｉ４
第３期２１年３月０１
文章编号：０１３９（０１０一ｌ３０１０ — ９７２１）３Ｏ１— ３
机械设计与制造
ＭａｈｉｒＤｅｉｎｃｎｅｙｓｇ＆Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ１３１
纵向压电式换能器模态分析及实验研究米
ｆｃａｅａａｚｄａｏｔｎｔｅｅｅｔｉｄｔｎｔｅｌｇｔｄｎｌｅｏａｃｆｅｕｎｙｃｎｂｅｎｔａｅｆｂｎｙｅｄｐｆｉｌｍｎ，ａｉｏｎｉｉａｒｓｎｎｅｒｑｅｃａｅｄｆｉｒｔｌｉｅｎｄｉｈｏｕｉｅ
ｔｒｕｈｔｅｅｐｒｅｔａｄｔｅａｐｉｄｆｔｅｔｎｄｃｒｒｉｉｒｉａｓｒｃａｅｂｅｈｗｈｏｇｈｘｅｉｎ，ｎｈｍｌｕｅｏｒｓｕｅａａｏｔｍｎｕａｅｈｖｅｎＳｏｎｍｔｈａｄｔｎｅｌｆ
÷ 【要】摘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，出了适应超声加工的大功率纵向压电式换能器的得
；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
ｔａｉｔｅａｇｓｉｓｎｎｅｏｎ；ｅｆｅｕｎｙｉｓｒ，ｅａｐｉｄｃｅｓｓｗｔｃｅｅｏｔｅｈｅｔｎｒｏａｃｉｔＷｈｎｒｑｅｃｕｅｔｍｌｕｅｉｒａｅｉｉｒａｈｔｓｈｌｒｅｐｓｈｔｎｈｎｓｆ
关键词：向压电式复合换能器；频率；态分析纵固有模
【ｂｔｃ】ｈｕｔｓｎａｓｕｅｉｋｙａｔｏｉａｄｌａｏｉｐｏｅｉ，ｅｏｇｕＡｓａｔＴｅｌａｏｉｔｎｄｃｒｓｅｒｏｕｒｎｎｔｓｎｒｓｎＴｎｉ－ｒｒｃｒｐｔｆｌａｃｓｕｒｃｃｓｇｈｌｔｄａｐｅｏｌｔｃｙｏｐｕｄｔｎｄｃｒｏｕｒｏｉｐｏｅｉｖｅｎｄｖｌｅｈｌｄｗｅｉｌｉｅｃｉｔｃｍｏｎａｓｕｅｆｒｌａｎｒｓｎｈｅｂｅｅｅｐｄｗｉｒｎｔｎｚｅｒｉｒｔｓｃｃｓｇａｏｅａｈｒｔｎｌｔｃｕｅｏｍｄｄｓｎｐｒｍｅｒｉｈｐｗｒｎｔｅｂｉｏｕｙｎｅｂｉｔｅｒｓｏａｉａｓｕｔｒｒａｅｉａａｔｈ－ｏｅａｓｆｓｄｉｇｔａｃｈｏｉｏｒｆｎｇｅｏｇｆｏｈｓｔｈｓｅｆｕｔｏｉｔｍｄｃｒｏｐｗｒｈｅｔｉｒｉｎｍｄｅｔｎｄｃｒａｄｉｓｒｄａｏｒｎｕ－ｌａｎｃｒｕｅｏｅ．ｅｂｓｖｂａｏｏｅｏｔｒｓｕｅｎ＇ａｉｉｎｔｍｉａｓｒｒｓａｆＴｔｆｈａｔｔｅｌ
王应彪刘传绍王远张庆文
（西南林学院交通机械与土木工程学院， ’ 昆明６０２）（河南理工大学机械与动力工程学院，５２４焦作４４０）５００
ＡｎｙｉｏｉｒｔｎｍｏｅｏｏｇｔｄｎｉｚｅｅｔｉｒｎｄｃｒｎｘｅｒｎａｔｄａｌｓｓｆｂａｉｄｎｉｎｉｉａｌｅｏｌｃｒｔｓｕｅｄｅｐｉｖｏｕｐｃａａｍｅｔｌｕｙｓＷＡＧＹｎ－ｉＬＵＣｕｎｓａ２ＷＡＧＹａＩＨＮｉｇｗｎＮｉｇｂａ，Ｉｈａ－ｈｏ，Ｎｕｎ，ＡＧＱｎ－ｅｏＺ