圆锥型压电换能器的动态设计与实验研究
超声换能器的优化设计与性能研究
超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。
为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。
本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。
一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。
常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。
其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。
在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。
此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。
二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。
典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。
其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。
但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。
因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。
超声换能器的电极结构也需要优化设计。
传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。
因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。
三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。
现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。
其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。
一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。
实验九,多普勒效应及声速综合实验
实验九,多普勒效应及声速综合实验实验九多普勒效应及声速综合实验对于机械波、声波、光波和电磁波而言，当波源和观察者（或接收器）之间发生相对运动，或者波源、观察者不动而传播介质运动时，或者波源、观察者、传播介质都在运动时, 观察者接收到的波的频率和发出的波的频率不相同的现象，称为多普勒效应。
多普勒效应在核物理，天文学、工程技术，交通管理，医疗诊断等方面有十分广泛的应用。
如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达，多普勒彩色超声诊断仪等。
一．实验目的 1、掌握和理解多普勒效应 2、掌握利用多普勒效应测量声速的原理和方法二．实验原理 1、声波的多普勒效应设声源在原点，声源振动频率为 f，接收点在 x，运动和传播都在 x 方向。
对于三维情况，处理稍复杂一点，其结果相似。
声源、接收器和传播介质不动时，在 x 方向传播的声波的数学表达式为： ? xct p p00 c o s?? （1-1）① 声源运动速度为SV ，介质和接收点不动设声速为0c ，在时刻 t ,声源移动的距离为 ) (0c x t V S ? 因而声源实际的距离为 ) (0 0c x t V x xS? ? ? ∴ ) 1 /( ) (0 S SM t V x x ? ? ? （1-2）其中SM =SV /0c 为声源运动的马赫数，声源向接收点运动时SV （或SM ）为正，反之为负，将式 1-2 代入式 1-1：0001coscxtMp pS? 可见接收器接收到的频率变为原来的SM 11?, 即: SSMff??1 （1-3）② 声源、介质不动，接收器运动速度为rV ，同理可得接收器接收到的频率: fcVf M frr r) 1 ( ) 1 (0? ? ? ? （1-4）其中0cVMrr? 为接收器运动的马赫数，接收点向着声源运动时rV （或rM ）为正，反之为负。
③ 介质不动，声源运动速度为SV ，接收器运动速度为rV ，可得接收器接收到的频率: fMsMfrrs11 （1-5）④ 介质运动，设介质运动速度为mV ,得 t V x xm? ?0 根据 1-1 式可得：∴ ? ???????? ? ?0001 cos xct M p pm?? （1-6）其中0 m mc V M ? 为介质运动的马赫数。
《换能器技术》PPT课件
ppt课件
17
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
ppt课件
18
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。
ppt课件
14
◆ Helmholtz换能器
11
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
ppt课件
24
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
ppt课件
25
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
ppt课件
26
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
ppt课件
12
◆ 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。
基于多物理场耦合的夹心式压电换能器优化设计
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【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Comsol Multiphysics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.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2018(036)005【总页数】9页(P1-8,13)【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【作者】付勇;陈晔;张伟民【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816【正文语种】中文【中图分类】TB552随着国家经济的高速发展，工业用水量和废水排放量都大幅增加，使得我国的水资源短缺和环境问题更加严重。
为响应国家可持续发展的号召，必须加大对废水的处理力度[1]。
高级氧化工艺是近年来新兴的一项水处理工艺，在对高浓度有机废水的处理方面有着独特的优势，超声波技术作为高级氧化工艺的重要一员，在废水处理方面有着巨大的应用潜力。
超声换能器作为整个超声系统的核心部件，其性能影响着整体的性能，对超声换能器的研制和优化成为超声领域的重要课题。
夹心式压电换能器最新
后盖板作用：
• 实现换能器的无障板单向辐射，保证能最小限度地从后盖 板表面辐射，从而提高前向辐射功率。一般采用重金属， 如45#钢、铜。形状主要是圆柱型或圆锥型。
• 前后盖板材料选择遵循以下原则： • 1.在工作频率范围内，材料内部机械损耗应尽量小； • 2.机械强度尽量高； • 3.价格低廉，易于加工； • 4.在有一些易于腐蚀的应用场合，还要求材料抗腐蚀能力
• 晶片选机械及介电损耗较低而压电常数和机电转换系数较 高材料，如PZT-4和PZT-8等。
• 压电片的形状和直径、数量、压电片材料和种类主要由工 作频率、工作模式、需要的输出声功率、应用场合来确定 的。换能器输入电功率比较小时，或者换能器处于非连续 工作状态（脉冲工作状态）可采用PZT-4；大功率状态下 工作，又连续长时间工作，应采用PZT-8型。
WarⅠ期间发明了探测水下潜艇的声呐。并因其 结构是“夹心式“，得名夹心式换能器。
• 形状 • 变幅比 • 应力分布 • 幅度分布
变幅器
·郎之万(1872-1946)
• 谐振频率
•
s2
(2
fs )2
K
(M1 M2) M1M 2
• K —压电堆的刚度（Siffness of Piezoelectric stack）
• 为克服这个困难，采用所谓夹心式换能器结构。
结构特点：
1 压电陶瓷圆片的极化方向与振子厚度方向一致。
压电陶瓷圆片或圆环通过高强度胶或应力螺栓与两端的金属块
2 连接在一起。
3 整个振子长度等于基波的半波长。
4
后盖板用密度较高的材料（如钢、铜等）制作，前盖板用轻金属 （如铝合金、镁等）制作。使得声能主要朝向铝盖板方向。
•
K EC Ac Lc
(完整版)换能器技术概述
几种常见发射换能器
几种常见水听器
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
1940s，较 强压电性能源自1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换
复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
稀土IV弯张换能器
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
◆ 其他换能器结构
开缝圆管换能器
空气动力型换能器
组合式换能器
当今水声换能器朝着低频、大功率、宽带、小体积、高耐静水压方向 发展，实现低频宽带的机理和结构成为人们探求的热点。
实现宽带的机理：利用多模态耦合、改善激励方式、增加匹配层等
实现低频的结构：利用低频模态、利用液腔谐振、采用电动（磁）式等。
不同类型换能器性能对比
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换能器 弯张换能器
5kHz-100kHz 1-2个倍频程 高 200Hz-5kHz 不易形成宽带 较高
好 低频基本无指向性
圆管换能器
1kHz-100kHz 1个倍频程
较高
水平无指向性
Helmholtz换能器 200Hz-1kHz
超声波清洗机的阻抗匹配电路
３
这表明 一个换能器可以等效为 Ｒ 和 Ｘ 的串
联 如图１ｂ 所示 Ｒ 和 Ｘ 分别是换能器的等效电
阻和等效电抗 它们不但与换能器的参数Ｃ０ Ｌ１ Ｃ１ Ｒ１ 有关 而且是频率ｆ的函数 在谐振频率附 近 Ｒ 和 Ｘ 满足下面的关系
５ 结束语
图 ３． Ｌ 改变时工作点的变化情况
匹配电路是超声波清洗机中的一种特殊电路 合理设计和细心调整匹配元件的参数 可以使发 生器和换能器均工作于最佳状态 本文中介绍的 匹配原理和通过调节工作点来改变换能器的等效 电阻和功率的方法 在实践应用中收到较好效果 对于超声清洗机的设计和调节具有参考价值
且与Ｒ轴平行的直线 其与圆的交点对应ｆＰ 再作 坐标原点到 ｆＰ 的直线 此直线与圆的交点即对应 ｆＳ 如图 ２ 所示
１ 工作在 ｆＳ 上 由阻抗圆图可以看出 在ｆＳ附近的区域里 Ｒ 的值较小 因此所需的激励电压Ｕ较小 这是工作
于ｆＳ的显著特点 另一方面 Ｘ 的值也较小 这意 味需要的匹配电感 Ｌ 也比较小
第 ２ 卷第 ５ 期 ２００４ 年 ５ 月
Vol.2 No.5 May. 2004
的 超声波清洗机
China Cleaning
阻抗 China Cleaning
匹配电路
鲍善惠 王艳东 （陕西师范大学应用声学研究所 西安 ７１００６２）
摘 要 本文在分析压电换能器的阻抗特性和工作点的基础上，讲述了超声波清洗机的阻抗匹配原 理 并分别介绍了他激式和自激式发生器具体的匹配方法 这些对于超声波清洗机匹配电路的设 计和调节都具有参考价值 关键词 压电换能器 阻抗匹配 工作点
率 由于ＲＬ与Ｒ１在串联支路中的地位相同 故在 下面的讨论中 将它们归并成一个电阻 仍称Ｒ１
（２） 调谐和变阻
圆环形压电振子振动分析与实验研究
圆环形压电振子振动分析与实验研究张代治;徐安俊;田晓超【摘要】针对圆环形压电振子的弯曲振动问题,利用弹性力学、ANSYS软件仿真及实验测试等手段对其进行了理论推导、仿真模态与实验分析.得出圆环形压电振子挠度表达式及其振动形态,实验测试给出了电压特性和频率特性.最后将这三种分析方法及理论分推到仿真分析与实验测试得出的结果进行对比.结果表明,这三种方法分析圆环形压电振子得出的结果基本吻合,误差较小,为圆环形压电振子的设计优化与应用提供了理论依据和技术参考.【期刊名称】《长春大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(029)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】圆环形压电振子;弹性力学;模态分析【作者】张代治;徐安俊;田晓超【作者单位】长春大学机械与车辆工程学院,长春130022;长春大学机械与车辆工程学院,长春130022;长春大学机械与车辆工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TH237.1随着压电材料的不断发展，由其构造的压电振子成为近代以来新型驱动器之一。
压电振子性能也在不断提高和完善，具有控制精度高、响应速度快、无磁干扰等特点，变形精度精确到微米级或纳米级，常被作为高精密驱动器使用[1]。
压电振子激励振动系统工作，工作的机构有多种形态，这些状态相互耦合相互影响，直接影响着压电振子性能，因此，研究压电振子的振动形态和特性是十分必要的。
Dobruki等人利用有限元法对对称形式布置的压电振子以及周边固定支承和简支边界的压电振子进行了动态和静态分析，同时推导出了相应的数学表达式[2]。
阚君武等人利用瑞利能量法对三叠片换能器进行了弯曲振动分析，探究结构尺寸参数对换能器的影响，为压电换能器的选用与优化设计提供了理论依据和技术参考[3]。
孙晓峰等人利用弹性力学相关知识论对圆形双晶片压电振子进行了分析，推导出了周边固定支撑方式的压电振子弯曲振动方程[4]。
利用弹性力学、ANSYS软件仿真及实验测试等手段对圆环形压电振子进行了数值计算、仿真分析与实验测试，为压电振子的设计优化和应用提供理论依据和技术参考。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
［］ 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
、
、
－
～
＼
＼
，． 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
和 ０５ ） ．ｒ ａ
图 ３网格划分图
表 １压 电换 能 器 的材 料属 性 和 尺寸 参 数
图 ４施加约束后的模型
模态分析结果 ， 如图 ５ 图 ６所示 。 、 换能器的一 阶纵振云位移 图， 如图 ５ 所示 。 向位移路径图（ 轴 坐标零点为后盖板端面）如图 ， ６所示。可以看出 ， 压电换能器的前 盖板振幅最大 ， 后盖板其次 ， 二者位移方 向相反 ， 两组压电陶瓷环 中间位置的振幅最小 ， 位移
图 １模 板调 用
在评价查看中可以看到用户提出的建议 ， 管理员对意见反馈信息
８１ ８ ． — ３
［ ］ 国宁 ， ５祈 顾新建 ， 杨青海 ， 大批量定制原理及关键技术研究 ［］ 算 等． Ｊ计 进行整理后作为系统修改的依据。 机集成制造系统 ， ０ ，（ ） ７ — ８ ． ２ ３ ９９ ： ６ ７ ３ ０ ７ ［ ］ 艳秋 ， ， 民， 基于协 同优化 的动态模块化设计方法究［ １ ６ 肖 薛庆 王爱 等． Ｊ． 北京理工大学学报 ，０ ８２ （２ ：０ ０ １６ ． ２０ ，８ １ ）１６ － ０４ 系统在设计过程中充分考虑人因工程学知识 ，运用模 块化 ［］ ７ 吕利勇 ， 乔立红 ， 田苗． 王 面向产品生命周期 的产品模块分解方法研究 设计思想 ， 通过接 口关联的方法 ， 在系统可读性和可操作性等原 ［］ Ｊ． 计算机集成制造系统 ，０ ６ １（ ） ４ － ５ ． ２０ ， ４： ６５ １ ２ ５
机 械 设 计 与 制 造
６ 文章 编 号 ：０ １ ３ ９ （０ ２ ０ — ０ ６ ０ １０ — ９７ ２ １ ）３ ０ ０ — ３
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ
＆
Ｍａ ｕ ａ ｔ ｅ ｎ ｆ ｃｕｒ
第 ３期 ２１ ０ ２年 ３月
圆锥 型压 电换 能 器的动 态设计 与 实验研 究 冰
ｍｅ ｏ ｈｓ ｅｈ ｄ ｏ ｍ ｌｙｔｅ ｅｉ ｐｏ ｅｓ ａｅ ｎ ｈ ｕ ｅｉ ， ｎ ｗｃ ｐ ｅｏ ｌ ｔｃ ｌ ａｏ ｉ ｔ ｄＴ ｉｍ ｔｏ ｎ ｉ ｐｉ ｓ ｈ ｃ ｓ ｆ ｈ ｄ ｇ ｒｃｓ． ｓｄｏ ｅ ｍ ｒ ａ ｓ ｄ ｉ ｉ ｅ ｃｒ ｔ ｎｃ ｎ Ｂ ｔ ｎ ｃ ａ ｌ ｈ ｚ ｅ ｉｕ ｒ ｓ ｔ ｎ ｄ ｃｒｓ ｅｉ ｅ ｎ ａ ｅ ａｄｔ ａ ｓ ｕｅ ａ ｅｎｔｓ ｄＴ ｅｅｐ ｒ ｎ ｓ ｄ ａａ ｄ ｎｔ ｅ — ｒ ｓ ｕｅ ｓ ｄａ ｄｍ ｄ， ｎ ｅｔ ｎｄ ｃ ｒ ｓ ｅ ｔ ｈ ｘ ｅｉ ｔｅｔ ａ ｎ ｆ ｉ ｌ ａ ｉｄ ｇ ｎ ｈ ｒ ｈ ｂ ｅｅ ｍｅ ｔ ｔ ｉ ｅ ｅ ｍ ｎ ａ ｓ ｓｌ ｒ ｃ ｍ ａｅ ｎ ｈ ｓｒｓｌ ｅｉ ｅ ｕ ｅｉａ ａ ａ ｓ ｄｄｓ ｅｈ ｄ ｅ ｔ ｎ ｙｉｒ ｕｔａｅ ｏ ｐ ｒｄ ａｄｔｅ ｅｔｅｕｔｖ ｒｙｔ ｍ ｒ ｌ ｎ ｌ ｉａ ｅｉ ｍ ｔｏ ａｌ ｓｅ ｓ ｔ ｓ ｆ ｈｎ ｃ ｙｓ ｎ ｎ ｇ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｔｒ ｎ ｄ ｃ ｒ Ｆｉ ｉｅｅｅ ｎ ； ｏ ａ ｎ ｌ ｓ ； ｉｚ ｅ ｅ ｔ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ： ａ ｓ ｕ ｅ ： ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔＭ ｄ ｌ ａ ｙ ｉ Ｐ ｅ ｏ ｌ ｃ ｒｃ ａ ｓ
中图分 类号 ：Ｈ１，Ｂ ５ 文 献标识码 ： Ｔ ２Ｔ ５ ２ Ａ
１ Ｉ 弓 言
能结 简 、作 便 优 ，前 经 广 应 到 声 料 、构 单制 方 等 点 目 已 被 泛 用 超 物
压电换能器也称为 郎之万换能器 ，由于具有 良好的电声性 输送 、 超声加工 、 超声电机等相关领域… 压电换能器作为激振源 ， 。
★ 来稿 日期 ： １加５ １ ★ ２ １ —３ 基金项 目： 自 ０ 国家 然基金资助项 目 ５０５９ ） （１７１５
（ ｎｔｕｅ ｆ ｉｒｔ ｎＥ ｇｎ ｅｉｇＬａｎｎ ｎｖｒ ｔ ｏ Ｔ ｃｎ ｌｇ ，ｉｚｏ ２ ０ １Ｃ ｉａ ｓ ｔｔ ｏ Ｖ ｂａｉ ｎ ｉｅｒ ，ｉ ｉｇＵ ｉ ｓ ｙ ｆ ｅｈ ｏ ｙＪｎｈ ｕ１ １ ０ ， ｈｎ ） Ｉ ｉ ｏ ｎ ｏ ｅ ｉ ｏ
（ ｉｚｏ ｎｇＭａｈｎ ｒ（ ｒｕ ）ｏ，ｔ，ｉｚｏ ２ ０ ３ Ｃ ｉａ Ｚｎｈ ｕＭｉｉ ｃｉｅ Ｇ ｏ ｐ Ｃ ． ｄ Ｊ ｈｕ １ １ ０ ，ｈｎ ） Ｊ ｙ Ｌ ｎ
【 摘
要】 对一种圆锥型夹心式压电换能器进行 了动态设计与实验分析。利用有限元分析方法对
换能器进行 了动态设计， 出了该类压电换能器有限元建模 方法， 给 分析 了换能器主要 结构尺寸对振动
模 态、 固有频率的影响。依据有限元分析结果， 出了一种基于数值分析的换能器优化设计方法， 提 简化 了设计过 程。在数值 分析 的基础上 ， 设计 、 制 了圆锥 型 夹心 式压 电换 能 器 ， 研 并对压 电换 能 器进 行 了性
．
＼
、
０ ９
、
．
５６１
＼
组 ２之间， 并且前盖板轴向位移（ 振幅） 尽可能大。 为 了方便建模 ， 对螺纹孔和预紧螺栓进行简化处理并忽略 铜 电极的影响。根据材料属性和尺寸参数进行建模 ， 如表 １ 所 示 。／ 几何实体模型 ， 图 ２所示 。 电陶瓷环采用 ｓｌ ５ １ ２ 如 压 ｏｉ 耦合 ｄ 场实体单 元 ， 其它部 分采用 ｓｌ ４ 实体单元 。采用映射 网格划 ｏｄ ５ ｉ
Ｈｕ ｎ ｎ ｅｆ ｃ ｓ ｉ ｏ ｔｏ ｏ ． ｃ ｐ ｔ ｎ ｏ ｍａ ｓ Ｉ ｔ ｒａ ｅ ｎ Ｃ ｎ ｒ ｌ Ｒｏ ｍｓＣｏ ｋ ｉ ａ ｄ Ｃ ｍｍａ ｄ Ｃｅ ｔ ｒ ， ｓ ｎ ｎ ｅ ｓ Ｉ ｔｒ ａ ｉｎ ｌ ｏ ｆｒ ｎ ｅ。 ９ ９ ｎ ｅ ｎ ｔｏ ａ ｎ ｅ ｅ ｃ １ ９ ． Ｃ
－
求 ， 中央铜 片的圆周施 加零 位移约束 ， 在 得到有限元分析模 型 ，
王宏祥 白 洋 胡 静 何 勃
（辽宁工业大学 振动工程研究所 ， ’ 锦州 １ １０ ） ２０ １ （锦州矿山机器集团有限公司， 锦州 １１０ ） ２０ ３
Ｄｙ ａ ｉ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｔ ｄ ｈ ｏ ｉａ ｉｚ ｅｌｃ ｒ ｒ ｎ ｄ ｃ ｒ ｎ ｍ ｃ ｄ ｓｇ ｎ ｘ ｅ ｉ ｍｅ ｔ ｌ ｕ ｙ ｉ ｔ ｅ ｃ ｎｃ ｌ ｅ ｏ ｅ ｔｉ ｔ ｓ ｕ ｅ ｓ ｎ ｐ ｃ ａ ＷＡ Ｇ Ｈ ｎ －ｉｎ Ｂ Ｉ ａ ｇ， Ｕ Ｊ ｇ， ｉｇ Ｎ ｏ ｇ ｘ ｇ，Ａ ｎ Ｈ ｉ ２ Ｑ ｎ ａ Ｙ ｎ ＨＥ
理指导下进行发动机 陕速化设计系统的方案设计并进行开发 。 系
统帮助设计者快速并方便的完成发动机关键部件的设计。 后续的
研究工作是对 系统进行评价 ， 找出不足之处 ， 在用户反馈意见 的
基础上不断对 系统进行完善， 延长系统的生命周期。
参 考文献
［ ］ ａ ｈ ， ｕ ａ ｃ ｒ ｉ ｅｒ ｉ ａａ ｉ ｙｍ ｔ ｉ ｏ ｅ ［ ］ １ Ｅ ｒ ｙＲ Ａ ｈ ｍ ｎ ｆ ｔ ｓ ｎ ｇ ｔ ｎ ｃ ｂ ｉ ａ ｒｙｍ ｄ ｌＲ ． ｔ ａ ｏ ｔ ａｏ ｐ ｌ ｔ ｕｔ
能测试 。并将 实验 测试数 据和有 限元分析 结果进行 了对 比 ， 测试结果验 证 了数 值分析 与设 计方 法的合
理性。
关 键词 ： 换能器 ； 有限元 ， ｎ 模态分 析 ； 电 压
【 ｂｔａｔ Ｄ ｎｍｉ ｄｓ ｎａｄｅｐ ｒ ｎａ ａａ ｓ ａｅｂｅ ｏｅｏ ｏｉａ ｓｎ ｗｃ ｉ ｏ Ａ ｓｒｃ】 ｙａ ｃ ｅｉ ｎ ｘｅｉ ｔｌ ｎ ｙｉ ｈｖ ｅｎｄｎ ｎａｃｎｃ ａｄ ｉ ｐｅ － ｇ ｍｅ ｌ ｓ ｌ ｈ ｚ ｅｅｔｃｕｔｓｎｃｔ ｎｄｃｒＵ ｉ ｅ ｎｔｅｅ ｅｔｎ ｙｉｍ ｔｏｆｒｈ ｙａ ｉｄｓ ｒｎｄｃｒ ｌ ｒ ｌａｏｉ ｒ ｓｕｅ ｓｎ ｔ ｆ ｉ ｌｍ ｎａａ ｓ ｅｈｄ ｏ ｅｄｎ ｃ ｅｉ ｏ ａｓｕｅ， ｃｉ ｒ ａ ． ｇ ｈｉ ｅ ｌ ｓ ｔ ｍ ｇ ｆｔ ｎ
ｗ ｒ ｅｈ ｄｏ ｅｏ ｔ ｉ ｔ ｎｄｓ ｅｔ ｎｄ ｃ ｒ ｈ ｅｈｄｉ ｂｓｄｏ ｅｎ ｍ ｒ ａ ａ ａ ｓ ａｄａｍ ｔｏ ｎｔ ｐｉ ｚ ｉ ｅｉ ｏ ｔ ｒ ｓｕ ｅ， ｅｍ ｔｏ ａｅ ｎｔ ｕ ｅｉｌ ｎ ｙｉ ｈ ｍ ａｏ ｎ ｇ ｆｈ ａ ｔ ｓ ｈ ｃ ｌ ｓ