夹心式压电超声换能器设计及其振动性能研究

论文摘要

超声换能器是进行能量转换的器件,能实现电能和声能间的相互转换。超声换能器是超声技术的核心内容,也是决定超声系统性能的关键因素。夹心式压电超声换能器以其优良的性能,已经被广泛应用于功率超声领域。本文在深入研究压电学、超声学、机械振动学的基础上,对夹心式压电换能器进行了结构设计并利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics对设计模型进行振动性能分析。本文的研究工作分为以下几个组成部分。（1）本文对超声学研究的相关内容进行了总结,回顾了超声技术的定义及发展历程,并简要介绍超声波清洗技术的原理,介绍了常用的超声换能器。（2）研究了压电学、超声学、机械振动学相关理论,采用等效电路法建立压电换能器的机电等效模型,进而得到了换能器的纵向振动方程,并在纵向振动方程矩阵形式的基础上推导出压电换能器的机电等效图。通过机电等效图推导出压电换能器的谐振频率方程、前后端振速比、输入等效电导纳的理论表达式。（3）根据理论计算的结果进行压电换能器的详细结构设计,并采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立压电换能器在空气中的有限元分析模型,并进行了特征频率分析、频率响应分析。在此基础上得出了空气中压电换能器的各阶特征频率及振动模态图,从中找出纵向振动频率及模态。分析换能器上两个参考点的振动幅值与激励频率的关系,并得出了参考点A、B的振幅频率响应曲线。对换能器输入电导纳与频率的关系进行了分析,得到了换能器输入电导纳响应曲线,发现在谐振频率附近存在正向谐振频率和反向谐振频率点。（4）在压电换能器频率响应分析的基础上,分析换能器在水中的辐射声场分布。本文得到了水中换能器输入电导纳频率响应曲线。在声场中选取计算参考点,分析换能器的发射电压响应。本文得到了在工作频率40kHz的时换能器的水声场声压分布图。本文进一步分析了换能器的空间指向性。在对换能器前辐射面与水声场区域交界面处进行分析后,得到了在40kHz激励频率下沿交界面的声压分布曲线,和沿交界面的von Mises应力分布曲线。（5）用有限元分析软件建立了二维超声波清洗分析模型,用来分析水槽的中声场分布情况。研究了换能器纵向振动和水槽底钢板的弯曲振动的耦合振动,以及耦合振动结构的辐射声场和结构所受的声载荷。本文得到了水槽中的声压（级）分布图,并分析了声场分布对清洗效果的影响。本文进一步对声-结构交界面的振动位移分布和应力分布进行了分析,通过对交界面的振动位移幅值曲线分析压电换能器的纵向振动与水槽底部钢板的弯曲振动的耦合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超声技术概述
• 1.1.1 超声技术发展历程
• 1.1.2 超声波清洗技术
• 1.1.3 功率超声换能器
• 1.2 本文的研究方法及研究内容
• 1.2.1 研究方法
• 1.2.2 研究内容
• 第2章 压电声学基本理论
• 2.1 压电材料的物理特性
• 2.1.1 压电效应与逆压电效应
• 2.1.2 压电晶体压电效应的解释
• 2.1.3 电致伸缩效应（Electrostrictive effective）
• 2.1.4 极化压电陶瓷的压电效应与逆压电效应的解释
• 2.2 压电材料的压电方程（Piezoelectric Equation）
• 2.2.1 压电材料的介电性
• 2.2.2 压电材料的弹性
• 2.2.3 压电材料的压电方程（Piezoelectric Constitutive Equations）
• 2.3 声的基本概念
• 2.3.1 声压
• 2.3.2 声强
• 2.3.3 分贝刻度
• 2.3.4 声压级与声强级
• 2.4 压电材料耦合分析基本理论
• 2.5 声-结构耦合分析基本理论
• 2.6 本章小结
• 第3章 夹心式压电换能器的理论分析
• 3.1 压电材料
• 3.1.1 压电材料的重要参数
• 3.1.2 压电陶瓷
• 3.2 夹心式压电换能器理论分析的基本假设
• 3.3 压电陶瓷元件的振动模式分析
• 3.3.1 推导电路状态方程
• 3.3.2 压电陶瓷片振动位移方程
• 3.3.3 推导机电等效方程及机电等效图
• 3.4 等截面细棒一维纵向振动分析及其机械等效图
• 3.5 变截面细棒一维纵向振动分析
• 3.5.1 任意变截面细棒的情况分析
• 3.5.2 几种常见截面细棒的情况分析
• 3.6 夹心式压电换能器的机电等效图及其特性分析
• 3.6.1 夹心式压电换能器的机电等效图
• 3.6.2 换能器的频率方程
• 3.6.3 换能器的前后端振速比
• 3.6.4 换能器的等效电导纳（或电阻抗）
• 3.7 本章小结
• 第4章 夹心式压电换能器设计及振动性能分析
• 4.1 压电换能器的理论设计计算
• 4.2 压电换能器的详细结构设计
• 4.2.1 前盖板
• 4.2.2 后盖板
• 4.2.3 压电陶瓷部分
• 4.2.4 铜电极片
• 4.2.5 绝缘套筒
• 4.2.6 预应力螺栓和螺母
• 4.3 压电换能器的振动性能有限元分析
• 4.3.1 模型说明（Instruction）
• 4.3.2 模型简化（Definitions）
• 4.3.3 几何建模（Geometry）
• 4.3.4 材料定义及求解域设定（Domains）
• 4.3.5 边界条件设定（Boundary）
• 4.3.6 网格剖分（Mesh）
• 4.3.7 求解（Study）
• 4.3.8 结果后处理（Results）
• 4.4 本章小结
• 第5章 夹心式压电换能器辐射声场分析
• 5.1 夹心式压电换能器辐射声场分析
• 5.1.1 模型说明（Introduction）
• 5.1.2 几何建模（Geometry）
• 5.1.3 材料定义及求解域设定（Domains）
• 5.1.4 边界条件设定（Boundary）
• 5.1.5 网格剖分（Mesh）
• 5.1.6 求解与后处理（Study and Results）
• 5.2 二维超声清洗模型分析
• 5.2.1 模型说明
• 5.2.2 模型建立
• 5.2.3 网格剖分
• 5.2.4 后处理及其分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 本文的主要研究内容和结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 压电换能器结构尺寸计算程序
• 附录B 本文使用的软件介绍
• B.1 COMSOL Multiphysics多物理场耦合分析软件
• B.1.1 专业模块（Model Wizard）
• B.1.2 COMSOL Multiphysics的特点
• B.2 3DVIA Composer
• 附录C 换能器设计图纸