大尺寸壓電超聲換能器的特性研究及有限元仿真.pdf

1、壓電超聲換能器廣泛的應(yīng)用于水聲及功率超聲技術(shù)中。根據(jù)傳統(tǒng)的一維設(shè)計理論，夾心超聲換能器做一維振動而泊松效應(yīng)和徑向振動被忽略掉。因此，一維理論下必須要求換能器的徑向尺寸遠小于其縱向尺寸。一般來說，當徑向尺寸小于介質(zhì)中傳播的波的四分之一波長時，使用一維理論設(shè)計的換能器其共振頻率理論與測量間的誤差可以忽略。然而，隨著超聲技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲換能器越來越廣泛的應(yīng)用于一些新領(lǐng)域，如高頻超聲金屬和塑料焊接及一些需要大功率、高聲強的超聲領(lǐng)域。在這些情

2、況下，換能器的徑向尺寸較大，通常大于縱波波長的四分之一。因此夾心換能器的一維設(shè)計理論將不再適用，否則將會出現(xiàn)較大誤差。具體的講，一維理論不再適用設(shè)計以下兩種夾心壓電超聲換能器：(1)應(yīng)用于超聲金屬焊接等方面的高頻夾心超聲換能器。當換能器的共振頻率增加時，其縱波波長及縱向尺寸相應(yīng)減小，根據(jù)一維縱振動理論中的假設(shè)，此時換能器的徑向尺寸必須相應(yīng)減小，這樣換能器的橫截面就很小并且機械強度和功率容量也會很小。為提高換能器的機械強度和功率容量，高頻

3、夾心換能器的徑向尺寸必須增大，這樣為減少設(shè)計誤差，換能器的徑向振動必須加以考慮。(2)大功率夾心超聲換能器。在一些新的超聲應(yīng)用領(lǐng)域如超聲金屬和塑料焊接，需要很大功率的超聲，因此此類換能器的徑向尺寸通常會超過縱波波長的四分之一，因此一維設(shè)計理論不再適用。在以上提到的兩種情況中，換能器的振動實際上是一種徑向振動和縱向振動的耦合形式，因此為研究大橫截面或高頻換能器的耦合振動必須發(fā)展一種新的設(shè)計理論。 對于夾心式壓電超聲換能器耦合振動，

4、不少學(xué)者曾用數(shù)值方法對其頻率特性和振動模態(tài)進行了研究。所有數(shù)值方法中有限元法前景最為廣闊?，F(xiàn)在一些商業(yè)軟件如ANSYS對于此類振動系統(tǒng)的分析非常方便。但是盡管數(shù)值方法廣泛的應(yīng)用于工程設(shè)計問題中，這些方法的研究過程卻相當繁瑣，其得出的結(jié)果也不如一維理論的結(jié)果的物理意義那樣明顯。 本文主要開展了如下兩方面的研究內(nèi)容： (1)基于表觀彈性法對大尺寸壓電超聲換能器的組件如前后蓋板，壓電陶瓷堆、變幅桿等一一進行振動特性分析，分別得

5、到考慮縱徑耦合時的頻率方程表達式，引入耦合系數(shù)這一概念，探究不同縱徑比時耦合程度的強弱，比起傳統(tǒng)一維換能器設(shè)計理論本文的結(jié)論很好的符合了有限元仿真值和實驗測量值。結(jié)論還顯示，基于大尺寸換能器較為強烈的徑向振動模態(tài)，還可以設(shè)計出一種新型的多頻或復(fù)頻換能器。 (2)采用有限元軟件ANSYS對設(shè)計的一組大尺寸壓電夾心換能器進行模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析，得到了換能器的縱振共振頻率和反共振頻率，提取了表達換能器性能的頻響曲線，如Y-F曲線，G