功能梯度复合换能器的径向振动特性分析

论文摘要

在超声及水声技术中,换能器是核心元件之一,它是一种能量转换的器件。既可作为压电陶瓷材料参数的标准测试振子,也可用作换能器的有源器件。功能梯度材料是一种特殊的非均匀材料,材料特性在空间上连续变化,具有传统层合材料无可比拟的优势。利用径向伸缩振动的压电陶瓷圆环是常用的压电器件,本文对压电复合圆环换能器的径向振动特性进行了研究,该换能器由一个径向极化的压电圆环和一个弹性圆环在半径方向复合而成,根据三维线弹性和压电弹性理论,导出了简谐电信号激励下平面应力问题的控制方程并得到压电圆环和弹性圆环的位移一般解,最终确定出谐振频率和反谐振频率的特征方程。此方法适用于任意厚度的压电复合圆环换能器的参数分析。在此基础上,改变内外层材料分布的形式,假设材料沿径向成幂函数方式变化,分别考虑了弹性层为功能梯度材料,压电层为功能梯度材料,弹性层和压电层均为功能梯度材料三种情形。通过算例分析了材料按不同梯度形式分布时,换能器的谐振频率、反谐振频率和有效机电耦合系数的变化规律,同时也探讨了压电复合圆柱换能器一些重要的特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文的研究方法和主要工作
• 第二章 均匀材料复合压电换能器的径向振动
• 2.1 压电薄圆环的径向振动解
• 2.1.1 基本方程
• 2.1.2 压电环的通解
• 2.2 弹性圆环的径向振动解
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 弹性环的通解
• 2.3 复合换能器的径向振动特性分析
• 2.3.1 谐振频率和反谐振频率
• 2.3.2 有效机电耦合系数
• 2.4 数值计算及结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 含功能梯度弹性层的复合压电换能器的径向振动
• 3.1 功能梯度弹性圆环的径向振动解
• 3.2 含功能梯度弹性材料的复合换能器动态性能分析
• 3.3 数值计算及结果分析
• 3.4 小结
• 第四章 含功能梯度压电材料的复合换能器的径向振动
• 4.1 功能梯度压电材料圆环的径向振动解
• 4.2 含功能梯度压电材料的复合换能器动态性能分析
• 4.3 数值计算及结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 两层功能梯度材料复合压电换能器的径向振动
• 5.1 功能梯度材料复合换能器动态性能分析
• 5.2 数值计算及结果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果