径向复合压电陶瓷超声换能器动态仿真及结构优化

• 作 者: 张超
• 出 处: 燕山大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 压电陶瓷 换能器 径向振动 结构优化

超声换能器是超声技术中最重要的部分之一。压电换能器因其机电转换效率高、成本低、容易成型等优势,已成为应用最为广泛的一种换能器。压电陶瓷复合超声换能器是近几年国内外专家学者的研究热点,其振动模式为径向振动模式。压电陶瓷换能器的工作频率为其固有频率,因此对其径向振动特性的研究极为重要。本文对换能器径向振动特性及优化设计做了研究。本文所做工作及所得成果如下:(1)建立了由压电陶瓷圆管与金属预应力管组成的过盈配合组合厚壁筒力学模型,推导了由压电陶瓷圆管与金属预应力管径向耦合振动波动方程、组合厚壁筒径向振动连续性条件与边界条件组成的换能器径向振动的数学模型,推导了换能器径向振动的特征方程及振型函数。分别基于解析法与差分法建立了换能器径向振动的数值仿真模型。通过MATLAB编程计算得:特征方程所得固有频率值与已有实验值符合很好;解析法与差分法的共振频率、位移响应相同。(2)建立了过盈量影响换能器径向振动的力学与数学模型。建立了压电陶瓷圆管与金属预应力管之间动态过盈力的计算模型。基于差分法建立了过盈量影响换能器径向振动的数值仿真模型。通过MATLAB编程计算得:过盈量对换能器径向振动特性有着显著影响,会使径向振动振幅变大。(3)建立了过盈量与端部效应综合影响下换能器径向振动的力学与数学模型,并基于差分法建立了数值仿真模型。通过MATLAB编程计算得:考虑端部效应后,换能器的固有频率更加接近已有实验值;端部固定情况下的固有频率比端部自由情况下的固有频率更大,振幅更小;端部效应影响下的轴向位移分布呈现“两端小、中间大”的对称分布特点。(4)对换能器进行了敏感性分析及结构优化。当金属预应力管与压电陶瓷圆管壁厚一定时,换能器径向振动固有频率随压电陶瓷圆管内径的增大而减小;当换能器总厚度一定时,换能器径向振动固有频率随压电陶瓷圆管与金属预应力管壁厚比值的增大而减小。建立了换能器优化设计的目标函数及约束条件,并对一特定工作情况下的换能器设计实例进行了计算。综合而言,本文对换能器的径向振动特性做了深入研究,并提供了换能器优化设计的新思路,这对换能器及相同结构的元器件的设计与开发有一定的指导意义。