超聲換能器是超聲技術(shù)中最重要的部分之一。壓電換能器因其機電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、容易成型等優(yōu)勢,已成為應(yīng)用最為廣泛的一種換能器。壓電陶瓷復(fù)合超聲換能器是近幾年國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點,其振動模式為徑向振動模式。壓電陶瓷換能器的工作頻率為其固有頻率,因此對其徑向振動特性的研究極為重要。本文對換能器徑向振動特性及優(yōu)化設(shè)計做了研究。本文所做工作及所得成果如下:（1）建立了由壓電陶瓷圓管與金屬預(yù)應(yīng)力管組成的過盈配合組合厚壁筒力學(xué)模型,推導(dǎo)了由壓電陶瓷圓管與金屬預(yù)應(yīng)力管徑向耦合振動波動方程、組合厚壁筒徑向振動連續(xù)性條件與邊界條件組成的換能器徑向振動的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了換能器徑向振動的特征方程及振型函數(shù)。分別基于解析法與差分法建立了換能器徑向振動的數(shù)值仿真模型。通過MATLAB編程計算得:特征方程所得固有頻率值與已有實驗值符合很好;解析法與差分法的共振頻率、位移響應(yīng)相同。（2）建立了過盈量影響換能器徑向振動的力學(xué)與數(shù)學(xué)模型。建立了壓電陶瓷圓管與金屬預(yù)應(yīng)力管之間動態(tài)過盈力的計算模型�；诓罘址ń⒘诉^盈量影響換能器徑向振動的數(shù)值仿真模型。通過MATLAB編程計算得:過盈量對換能器徑向振動特性有著顯著影響... 

【文章來源】：燕山大學(xué)河北省

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

換能器示意圖

第2章?lián)Q能器的徑向振動特性-7-圖2-1所示為壓電陶瓷復(fù)合超聲換能器示意圖，該換能器是由經(jīng)過徑向極化處理后的壓電陶瓷圓管與金屬預(yù)應(yīng)力管組成。褐色部分為壓電陶瓷圓管，空白部分為金屬預(yù)應(yīng)力管。ar、br分別為換能器中壓電陶瓷圓管內(nèi)、外徑，br、cr分別為金屬預(yù)應(yīng)力管內(nèi)、外徑，h為換能器的高度。2.1.1力學(xué)模型換能器受外部激勵電壓與載荷的作用�；诖�，建立換能器徑向振動的整體力學(xué)模型。圖2-2所示為壓電陶瓷復(fù)合超聲換能器力學(xué)模型。eP為換能器所受環(huán)境載荷。由換能器的結(jié)構(gòu)及工作原理，將其簡化為由壓電陶瓷圓管與金屬預(yù)應(yīng)力管組成的過盈配合組合厚壁筒力學(xué)模型，因此，分別建立壓電陶瓷圓管與金屬預(yù)應(yīng)力管的力學(xué)模型。并基于三維壓電彈性力學(xué)、厚壁筒理論分別推導(dǎo)壓電陶瓷圓管與金屬預(yù)應(yīng)力管的波動方程，綜合連續(xù)性條件、邊界條件建立換能器徑向振動的數(shù)學(xué)模型。圖2-2換能器力學(xué)模型2.1.1.1壓電陶瓷圓管力學(xué)模型基于三維壓電彈性力學(xué)[29]、厚壁筒理論建立壓電陶瓷圓管徑向振動的力學(xué)模型。圖2-3為壓電陶瓷圓管徑向振動的力學(xué)模型。首先分析壓電陶瓷圓管的整體受力，壓電陶瓷圓管受到金屬預(yù)應(yīng)力管所施加的徑向壓力，如圖2-3a）所示。取壓電陶瓷圓管的微元段，對微元段進行受力分析，以期根據(jù)牛頓第二定律得出壓電陶瓷圓管徑向振動的波動方程。圖2-3b）、c）、d）為壓電陶瓷圓管微元段力學(xué)模型。其中，ar、br、1l為壓電陶瓷圓管的內(nèi)徑、外徑、高度，2brF為金屬預(yù)應(yīng)力管所施加給壓電陶瓷圓管的徑向力。在圓管內(nèi)取以dr為徑長、以d為轉(zhuǎn)角、以dz

燕山大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-18-圖2-5換能器離散模型根據(jù)牛頓前差分公式可得tuuturuurujijijijijijiΔΔ,1,,,,1,（2-36）根據(jù)牛頓中心差分公式可得21,,1,2221122Δ2Δ2ruuuturuuurujijiji,jii,j,ji（2-37）將式（2-36）、式（2-37）代入式（2-17）可得換能器徑向振動的差分?jǐn)?shù)值仿真模型如下。波動方程的差分形式為1,,1a1123132,a1122,,1a2,1,,122211,2)()Δ(1)Δ(1)(Δ)Δ(1)2(Δ1ΔjijijrjijijijijijijiuuErireeeurireeuurriruuurtvu（2-38）1,,2,a,,1a2,1,,122221,2)Δ(1)(Δ)Δ(1)2(Δ1ΔjijijijijijijijijiuuuriruurriruuurutV（2-39）邊界條件的差分形式為e1,111c12111,1131,111a12111,0ΔΔ/1)(ΔΔ/1PurcrcrcuEeurerereujjIIjrjj（2-40）

【參考文獻】：
期刊論文
[1]夾心式壓電換能器壓電片端面應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 劉宇,傅波,林波,吳思楠.  西安交通大學(xué)學(xué)報. 2019(02)
[2]基于真實路譜再現(xiàn)的商用車駕駛室疲勞破壞[J]. 王陶,王良模,Li Tan,鄒小俊.  華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2017(05)
[3]K0.5Bi0.5TiO3:ZnO無鉛鐵電復(fù)合陶瓷的退極化行為[J]. 朱滿康,李玲,郭金健,鄭木鵬,侯育冬,嚴(yán)輝.  北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報. 2017(06)
[4]鑲拼式復(fù)合壓電超聲換能器的徑向振動特性[J]. 李陸化,劉世清,李丹.  機械工程學(xué)報. 2016(16)
[5]高次諧波體聲波諧振器的有效機電耦合系數(shù)[J]. 李鑒,汪承灝,劉夢偉.  聲學(xué)學(xué)報. 2016(01)
[6]徑向極化壓電陶瓷長圓管復(fù)合超聲換能器的徑向振動[J]. 林書玉,王帥軍,付志強,胡靜,王成會,莫潤陽.  聲學(xué)學(xué)報. 2013(03)
[7]徑向復(fù)合圓柱壓電超聲換能器[J]. 劉世清,楊先莉,張志良,陳趙江.  聲學(xué)學(xué)報. 2013(02)
[8]水聲換能器研究新進展[J]. 莫喜平.  應(yīng)用聲學(xué). 2012(03)
[9]工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究進展[J]. 蔡新,李洪煊,武穎利,朱杰.  河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2011(03)
[10]復(fù)合管功率超聲壓電換能器的徑向振動特性[J]. 劉世清,姚曄.  機械工程學(xué)報. 2008(10)

博士論文
[1]徑向夾心式壓電超聲換能器的研究[D]. 胡靜.陜西師范大學(xué) 2015
[2]縱彎及縱徑振動模式轉(zhuǎn)換功率超聲換能器的研究[D]. 張小麗.陜西師范大學(xué) 2014
[3]球冠鈸型換能器建模、仿真及優(yōu)化設(shè)計研究[D]. 吳石林.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2011

碩士論文
[1]基于機電耦合法油井增產(chǎn)超聲波換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[D]. 張翊東.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2014
[2]功率超聲換能器壓電振子的徑向諧振頻率及聲學(xué)特性分析[D]. 王強.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013
[3]超聲換能器的設(shè)計理論研究[D]. 曾凡沖.北方工業(yè)大學(xué) 2013
[4]徑向復(fù)合型壓電超聲換能器研究[D]. 蘇超.浙江師范大學(xué) 2012
[5]三元復(fù)合驅(qū)油井管道超聲波除垢技術(shù)研究[D]. 師柱.哈爾濱工程大學(xué) 2011
[6]大功率管狀超聲換能器的設(shè)計與研究[D]. 高炳山.陜西師范大學(xué) 2010



本文編號：3261359