基于多物理场耦合的夹心式压电换能器优化设计
借助ANSYS优化设计声学换能器(2008版)
12
3.2.2 属性－从几何模型到有限元模型
13
3.3 求解——解有限元方程
16
3.3.1 求பைடு நூலகம்选项
16
3.3.2 施加载荷
16
3.4 后处理——提取变量参数、获得问题答案
17
第四章 换能器分析模拟实例
18
4.1 压电材料参数与坐标变换
18
4.2 压电换能器模拟分析实例——纵向换能器发射性能分析
20
4.3 几种常见类型压电换能器的分析建模实例
36
第五章 纵向换能器结构优化与设计
45
5.1 纵向换能器压电堆优化的新探讨
45
5.2 双激励纵向换能器的结构弹性与小型低频宽带换能器的设计 51
5.3 换能器有载谐振频率及阻抗分析的流体模型简化处理方法 56
5.3.1 水声换能器简化流体模型分析实例
56
近些年不少超声领域的学者与本人探讨 ANSYS 软件应用的问 题，所以笔者考虑水声换能器建模的讨论已经内容较多，有必要将超 声换能器的分析内容及分析方法做些介绍，因此本讲义新增的第五章 内容即是从纵向换能器优化的实例入手，结合超声换能器设计中所关 注的技术问题，展开一系列计算与讨论。其中不乏有笔者初浅的处理 思路和分析方法，与各位学者共勉，同时也希望得到您的批评指导及 各方面的宝贵意见。
其中不乏有笔者初浅的处理思路和分析方法与各位学者共勉同时也希望得到您的批评指导及各方于北京借助ansys优化设计声学换能器第一章ansys有限元软件简介11ansys软件应用于声学及换能器领域解决的具体问题12ansys软件简介第二章ansys有限元软件设计换能器的基本理论21有限元法分析换能器机电耦合问题的数理基础22ansys有限元软件用于换能器分析的基本理论23ansys有限元软件用于换能器分析的一般步骤24利用ansys软件来解决磁致伸缩机电耦合问题第三章ansys有限元软件分析换能器的基本过程31模型简化准物理模型32建模有限元模型的生成321几何模型的构建322属性从几何模型到有限元模型33求解解有限元方程331求解选项332施加载荷34后处理提取变量参数获得问题答案第四章换能器分析模拟实例41压电材料参数与坐标变换42压电换能器模拟分析实例纵向换能器发射性能分析43几种常见类型压电换能器的分析建模实例第五章纵向换能器结构优化与设计51纵向换能器压电堆优化的新探讨52双激励纵向换能器的结构弹性与小型低频宽带换能器的设5153换能器有载谐振频率及阻抗分析的流体模型简化处理方法531水声换能器简化流体模型分析实例532超声清洗换能器简化流体负载模型分析实例参考文献11121213161616171818203645455656586311莫喜平
夹心式压电超声换能器的等效电路设计法
Ｃ Ｃ、２ ｌ ｏＣ 、 分别为 各自 波 声 ：） ｌ 的 数和 速， ＯＣ， ／
ｌ
：ＯＣ ， ｋ：） ２； Ｃ：互／ ， ／ ２ ＯＣ ｌ （ ） ／
１ １
ＣＯ ＝
Ｏ ｐ ， （ ， ｌ 分 ／ ｏ Ｃ ／ Ｅ ４ ） ： 和 别
是
出，即 ：
图 ｌ 换能器模型简化 图
２８
维普资讯
顾晓丹 等：夹心式压电超声换能器的等效电路设 计法
ｃ、 ０ 、 以及 、 Ｃ 、 ２ １分别 是 换 能器 ２ 、 ２
的金 属后 盖板 ，压 电陶 瓷 圆环 及金 属 前 盖板 的密 度 、纵波声速、横截面积和长度； 、ｋ 、ｋ 和 ｏ ２
ＺＪ ＺＪ 埘：０ １＋ ２＋Ｚｌ ｐ ｐ
ｌ ＋ ：Ｒ ｌ ｌ 是压 电陶瓷 晶堆左侧部分 的
ｖ（） ｂｏ￣， 由 （ ｏ ＝ｖｃｓ Ｉ， Ｏ ４） 式 得 ： （ ： Ｏ 负载 阻抗 ，也就 是换 能器 后盖板 的输入 阻抗 。作为一 ）
Ｖ ｏ ｋ１ ，将 （ ）和 （ ）相加 可得 以下 方程 ： ｆｃ ｓ ２ ２ ２ ３
将 各个 部分 的等 效 电路 联接 起来 ，就可 以构成 整
６ｒ ｌ Ｌ — １ 一 Ｊ １ ｌ ＋ Ｉ ｊ
—
Ｚｎ ｒ
一
［ １ ］ ［
Ｖ
ｌ ｃ 丰
Ｉ
ｌ
图 ２ 换 能 器 机 电等 效 电路 图
一
Ｚ 图２ 中ｚ， 和ｚ 是换能器的端负载阻抗， ０ Ｃ为
维普资讯
２心式压 电超声换能器 的等效 电路设计法
顾 晓 丹 刘传 绍 张 昌娟
（ 河南理工大学机械与动力工程学院，焦作，４ ４０ ） ５０３
钹型阵列式压电俘能器的参数优化设计与实验_文晟
并建 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ提 供 的 单 元 库 中 的 Ｓ Ｏ Ｌ Ｉ Ｄ ５ 单 元， 立压电堆叠阵列 的 三 维 有 限 单 元 模 型 ， 如图２所 示 。 该模型共有３ 其 ２ ２ ７ ４个 单 元 、 ５ ４ ９ ７ ７个 节 点 ， 中金 属 钹 盖 材 料 采 用 铍 青 铜 Ｑ 压电陶瓷 Ｂ ｅ １ ． ９， 材料选用 Ｐ Ｚ Ｔ－５ Ａ。
结构 （ 尺寸为５ 的压电俘能 ｍｍ×１ ｍｍ×０ ． １ ｍｍ）
收稿日期 ： ２ ０ １ ２—１ ２—１ ２ ） 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ５ ０ ６ ７ ７ ０ ２ ３
中国机械工程第 ２ ４ 卷第 １ １期２ ０ １ ３ 年 ６ 月上半月
实现对整体结构的综合设计 。 本文根据钹型阵列 式压电俘能器的 结 构 形 式 及 发 电 要 求 ， 提出了一 种基于 有 限 元 软 件 ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ的参数优化设计方 法， 利 用 ＡＮ 以实 Ｓ Ｙ Ｓ参数化语言 Ａ Ｐ Ｄ Ｌ 编 程， 最 现对钹型阵列式 压 电 俘 能 器 结 构 的 优 化 设 计 ， 后根据优化结果制作了样机并进行了相关实验 。
［ １ － ３］
器在激励频 率 为 ７ 能产 ｋ Ｈ ｚ且 振 幅 为 １ ５ ｍ 时， μ
［］ 生最大 １ ． ６ ｍＷ 的 电 能 。Ｅ ｒ ｉ ｃ ｋ ａ等 ５ 设 计 了 一 种
使用复合圆盘型 振 子 的 压 电 俘 能 器 ， 其压电振子 由直径为 ２ ５ ｍｍ 的 压 电 材 料 与 铝 制 薄 圆 板 复 合 实 验 表 明， 该压电俘能器在２ 制成 ， ｇ 加 速 度、 ２ ． ５ ８ ｋ Ｈ ｚ振 动 频 率 、 １ ＭΩ 负 载 下 能 产 生 ２ ４ Ｖ的 电压 ； 在 相 同 振 动 频率和 加速 度 条 件下， ５ ６ ｋ Ω负 载情况下能产生最大 １ ． ８ ｍＷ 的 电 能 。 钹 型 压 电 换能器是由上下两个金属钹盖与中间的压电陶瓷 由于金属钹盖为空腔结构 ， 可以将施 复合制成的 ， 加在钹盖上的外部载荷转换成压电陶瓷的径向力 及轴向力 ， 因此能 比 相 同 体 积 的 悬 臂 梁 结 构 承 受
压电结构电气转换装置气路参数优化设计
图 ２ 锥形节流 阀结构
３ 气路参数优化设计
３ １ 气 路 正 交 试 验 的 参 数 选 择 和 分 析 ．
复合 圆盘 上 片压 电 片 极 化 方 向 与 外 电场 方 向 相
同， 片极 化方 向与外 电场 方 向相 反 ， 下 在外 电压 作 用下上 片收缩 ， 片伸 长 ， 电圆盘 向下 弯 曲。通 下 压 过控制外 加 电压控 制 双 晶片 与 喷 嘴 之 间距 离 ， 来 调控背压 室 气压 ， 压 室气 压 对 喷嘴 挡 板 间 隙 变 背
面积 。
压
通信 技 术 、 制技 术 的发 展 ， 控 电气 转 换 器 、 定位 器 正逐渐取 代 传 统 的机 械 结 构 向 电子 化 、 能化 方 智 向发展 ¨ 。电气 转换 元 件 的稳定 性 直 接 决定 了
转换器或 定 位器 性 能 的好 坏 ， 一 次 转 换器 或 定 每 位器技 术 的更新 都 和转换 装置 的革 新有 着 紧密联 系， 目前 ， 国外相关 产 品 已经 突破 了传统 的机 械模
检 测 与 仪 表
化ｎｔｏｌａ化ｎｓｒ表 ｎ２０ ３ ６：ｄ～ｒ 工自 仪 ，ｓ１ ｅ （ｌ４ ４ 动及 ０ ７ｃ）３ ｔ ， ６ Ｃｏ ｒ ｎｄ Ｉ ｔｕｍｅ ｔ ｎ Ｃｈ ｍｉ ａ ｎ ｕｓ ｙ ｉ Ｉ
压 电结构 电气 转 换 装 置 气 路 参 数 优 化 设 计
李 东明 ， 颖 ， 大鹏 贾 郑
新 一代 压 电 结构 电 气 转换 器 的研 制 打 下 基 础 。
关键词 ： 压 电双 晶片 ； 电气装换装置 ； 参数 ； 优化设计
中 图分 类 号 ： Ｈ ０ 文献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ： ０ ０３ ３ （ ０ ０ ０ － ４ ４４ Ｔ ７３ Ａ １０ —９ ２ ２ １ ）６０ ３） ０
压电换能器等效模型分析与阻抗匹配设计
Abstract
The diffraction efficiency of an acousto-optic tunable filter (AOTF) relates to the quality of the
power source, the cutting type of the acousto-optic crystal oxidation tellurium (TeO2 ). Moreover, the structure of the piezoelectric ultrasonic transducer and the impedance matching also has great impacts on the diffraction efficiency of the AOTF. In this paper, the equivalent model of X cutting type lithium niobate (LiNbO3 , LN) piezoelectric ultrasonic transducer with an four-layered coating has been analyzed. Impedance characteristics of the transducer while the acousto-optic medium exists have been determined. And by using the microwave simulation software, the compound matching network of inductance and capacitance has been designed. The TeO2 has been stitched on the transducer using the colored light as the light source, so that to do the diffraction experiment.The results of simulations and experiments show that the matching circuit can effectively improve the impedance characteristics of piezoelectric transducer. It can improve the bandwidth of transducer, and also can improve the efficiency of energy transmission, that the diffraction efficiency of AOTF reaches up to 92.67%. Key words Acousto-optic tunable filter (AOTF), Acousto-optic, Diffraction, Piezoelectric transducer, Impedance matching
基于场-路耦合约束的干式空心电抗器优化设计
基于场-路耦合约束的干式空心电抗器优化设计摘要：本文深入分析了选用矩形截面束绞线绕制空心电抗器的优点，提出了使空心电抗器无环流、电阻损耗和涡流损耗小、各包封温升和电流分布均衡的优化设计方法。
进一步，给出了基于矩形截面束绞线的多目标优化算法，并通过数值算例对该算法的有效性进行了验证。
关键词：干式空心电抗器；优化设计1 引言20世纪60年代初，加拿大TRENCH公司率先研制出了环氧浸渍玻璃纤维包封的干式空心电抗器，它具有线性特性好、损耗低、噪声小和参数稳定的优良特性。
现在，随着电网建设和输变电技术的发展，环氧浸渍玻璃纤维包封的干式空心电抗器已经逐渐取代水泥电抗器和铁心电抗器。
目前，干式空心电抗器采用多根相互绝缘的细导线并联绕制。
其选用的细导线主要有扁导线、圆导线和圆形截面束绞线三种类型。
当电抗器采用扁导线绕制时，绕组比较平整美观，但其涡流损耗约为相同截面积的圆导线的2倍[1]。
当电抗器采用圆导线绕制时，随着绕组层数增多和导线径向尺寸的增大，绕组的多层效应加剧[2]。
此外，圆形截面束绞线和圆导线的填充系数比扁导线低，因此当选用这两种导线绕制空心电抗器时，将无法同时满足层等电阻电压、包封等温升和包封等高三个设计要求。
2 矩形截面束绞线绕制空心电抗器2.1优化设计的等效电路约束条件电抗器优化设计的等式约束条件包括层等电阻电压、包封等温升和包封等高三个方面。
下面详细给出选择这些约束条件的原因以及它们需要满足的关系式，这里假设干式空心电抗器有个包封和个层。
（1）层等电阻电压层等电阻电压是以各层导线电阻和层电流的乘积相等作为约束条件，如下式所示：4 算例分析以单相干式空心电抗器为例，其额定容量为60kvar，额定电压为317.5V，额定电感为5.35 mH。
表2是利用计算机辅助设计软件计算得到的电抗器设计结果，电抗器绕组选用圆导线双线并绕。
表3是利用优化设计软件计算得到的1个Pareto最优解，电抗器绕组选用矩形截面束绞线双线并绕。
圆锥型压电换能器的动态设计与实验研究
［］ ２ 陈思功 ， 章恒ｊ ， ｊ 邓凯． 中 软件设计 中人因工程的研 究［］ 算机工程 与 Ｊ． 计 结构设计结束后在产 品配置 中添加相应 的尺寸信息后 ， 将 设计 ，０ ２ ２ （ ） —０ ２０ ，３４ ： １ ． ７ ３ 管峻 ， ， 刘更 贺朝霞 ， 基于协 同仿真环境的人机界面设计 ［］ 等． Ｊ＿ 机械设 全部的设计信息下发 到下游结构进行。 每次设计完成后用户可以 ［ ］ 计与制造 ， ０ （ ）２ ６ ２ ８ ２ ７７ ：４— ４ ． ０ 对本次设计进行评价发送至管理员 ， 也可以不提 出意见 。管理员 ［ ］ 习梅 ， ４彭 谭彦林 ． 论多媒体作品设计中的人机界面 ［］ Ｊ＿ 软刊，０ ８ １ ： ２０（ ）
从模态分析 的角度研究圆锥型夹心式压电换能器 ，可将换 能器简化结构型式 ， 图 １ 如 所示。这种结构 的换能器其前端为变
截面结构， 能产生聚能 的作用 。 结构上主要 由压 电陶瓷环 、 前后金
属盖板 、 预紧螺栓 、 铜电极和中央铜片组成 ， 中央铜片起到 电极 和 安装固定 的作用。陶瓷环材料为 Ｐ Ｔ ８晶片 、 Ｚ一 后盖板材料为 ４ ＃ ５ 钢、 前盖板 材料为铝合金 、 电极 材料为紫铜 （ 厚度分别 为 ０ ｍ ． ｍ ２
一
１ １ ． ２ ２ １ ６ ３ ８
２ ５１ ４
—
＼ ＼
、
－
＼
—
３１５ ．６ ３８ ６ ．ｌ
４． ７ ４６ ５． １ １８
７７ ５ Ｚ． ５ ３２ ３． ５ ７
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、
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～
＼
＼
，． ２ ４５ Ｏ． ７５ ９
－
分。 划分 网格后的有限元模 型， 如图 ３ 所示 。 根据功能与结构要
一种复合型声电换能装置的优化设计
引用格式：陈创, 李泽钦, 吕海峰, 等. 一种复合型声电换能装置的优化设计[J]. 中国测试，2024, 50(4): 102-108. CHEN Chuang,LI Zeqin, LÜ Haifeng, et al. Optimal design of a composite acoustic-electrical transducer[J]. China Measurement & Test, 2024, 50(4):102-108. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2022090180一种复合型声电换能装置的优化设计陈 创1， 李泽钦2， 吕海峰1， 张晏晴1， 马智宇1(1. 中北大学机械工程学院，山西 太原 030051; 2. 河北工业大学理学院，天津 300401)摘 要: 为了俘获环境中广泛存在的声能，提出一种双效应耦合作用的声电换能装置，该结构可在声电转换的同时捕获空气中的流体能量。
为提高该装置的声电转化效率，对其进行优化设计。
通过研究压电片不同连接方式对发电性能的影响规律，确定不同条件下系统的最优连接方式。
采用正交实验法确定系统的最优组合方式，实验结果表明：在电阻大小2 MΩ、PZT 材料的串联个数28个、PZT 材料的总数56个、声源与换能器间的距离240 mm 的组合方式下，系统输出功率最大。
以最优组合设计实验，设置声压级为110 dB ，噪声频率在247 Hz ，此时测得负载输出电压17.54 V ，输出功率307.65 μW ，平均能量密度13.26 mW/m 3。
优化后的结构可作为微小型用电器的供电电源，在新能量领域有较好的应用前景。
关键词: 俘获声能; 流体能量; 复合型换能器; 正交实验; 优化技术中图分类号: TB9; TB535.3; TM619文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2024)04–0102–07Optimal design of a composite acoustic-electrical transducerCHEN Chuang 1, LI Zeqin 2, LÜ Haifeng 1, ZHANG Yanqing 1, MA Zhiyu 1(1. School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2. School of Science,Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)Abstract : In order to capture the sound energy widely present in the environment, a double-effect coupling acoustic-electric transducer is proposed, which captures the fluid energy in the air while the acoustic-electrical conversion is proposed, which provides a new method for energy capture. In order to improve the acousto-electric conversion efficiency of this device, its design needs to be improved. The effects of varying attachment methods of the PZT piece on the power generation performance has been studied, and the optimal connection method of the system in different occasions was selected. The orthogonal analysis method was used to determine the optimal combination of the system, and the experimental results showed that the system output power was maximum under the combination of the resistance size of 2 MΩ, the number of PZT materials in series of 28, the total number of PZT materials of 56, and the distance between the sound source and the transducer of 240 mm. With the optimal combination design tests, the sound pressure level is set to 110 dB, the noise frequency is 247 Hz, and the voltage across the resistor is 17.54 V, the output power is 307.65 μW, and收稿日期: 2022-09-28；收到修改稿日期: 2022-11-17基金项目: 国家自然科学基金 ( 51305409)作者简介: 陈 创（1998-），男，山西运城市人，硕士研究生，专业方向为振动与噪声控制研究。
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ＤｅｓｉｇｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＳａｎｄｗｉｃｈＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ ＢａｓｅｄｏｎＣｏｍｓｏｌＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ
ＦＵＹｏｎｇ，ＣＨＥＮＹｅ，ＺＨＡＮＧＷｅｉｍｉｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＴｅｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎ，２１１８１６，Ｃｈｉｎａ）
第 ３６卷 第 ５期
轻工机械
Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．５
２０１８年 １０月
ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｏｃｔ．２０１８
பைடு நூலகம்
［研究·设计］
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５２８９５．２０１８．０５．００１
基于多物理场耦合的夹心式压电换能器优化设计
付 勇，陈 晔，张伟民
（南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 ２１１８１６）
摘 要：针对传统解析法在压电换能器设计中存在适用范围窄、计算繁琐以及结果不精确等缺点，提出了基于 Ｃｏｍｓｏｌ的 换能器优化设计。为得到夹心式压电换能器的初步尺寸，笔者基于一维细棒振动和 Ｍａｓｏｎ等效电路理论得到了换能器 的频率方程和前后振速比公式；结合实际工况选定材料后利用 １ｓｔＯｐｔ对前盖板的隐函数进行求解，设计了换能器的结构 参数；基于 ＣｏｍｓｏｌＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ的压电耦合模块对设计的换能器进行动力学仿真研究，得到了换能器的特征频率、相应振 型以及正反谐振频率、基频频率和最高电导值，从而获得了换能器的节面高度、品质因数以及动态电阻等参数。模拟结 果得出换能器相应参数与设计值有一定误差，可利用 Ｃｏｍｓｏｌ优化模块对前后盖板尺寸进行修正。结果表明改进后的换 能器频率与设计值误差为 ０．０６７％，且节面位于陶瓷晶堆中间位置。该方法可以有效提高换能器的使用性能和缩短研 制周期，对压电换能器的优化设计有一定的参考意义。 关 键 词：压电换能器；一维细棒振动理论；Ｍａｓｏｎ等效电路；Ｃｏｍｓｏｌ软件；电压方程 中图分类号：ＴＢ５５２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５２８９５（２０１８）０５０００１０９