一种新型的径向振动高频压电陶瓷复合超声换能器

 本文研究了一种新型的径向振动压电陶瓷高频复合超声换能器.该换能器由一个压电陶瓷圆环和一个嵌于其内部的金属圆盘复合而成.首先对压电陶瓷圆环及金属圆盘的径向振动进行了简单分析,推出了其机电等效电路和共振频率方程,分析了压电陶瓷圆环的几何尺寸对其共振及反共振频率的影响.在此基础上,分析了由压电陶瓷圆环和金属圆盘组成的复合换能器的径向振动,得出了其复合机电等效电路和共振频率方程.研究分析表明,对于具有相同外半径的压电陶瓷圆盘和压电陶瓷圆环,压电陶瓷圆盘的径向振动共振频率高于压电陶瓷圆环的径向共振频率,并且,压电陶瓷圆环的内半径越大,其径向共振频率越低.当在压电陶瓷圆环内部嵌入一金属圆盘而组成一径向复合超声换能器时,其径向共振频率高于压电陶瓷圆盘的径向共振频率,从而达到了提高换能器共振频率的目的.研制了一些径向复合高频超声换能器,并对其共振频率进行了测试,测试数据证明了理论结果的正确性.     

行波型超声波电机等效电路建模

该文在深入分析超声电机运行机理的基础上,从定子、接触区域和转子3方面建立了超声电机等效电路模型。综合现有超声电机等效电路模型的优缺点,考虑摩擦耦合对超声电机的影响,并结合转子振动方程,提出了摩擦层与转子的等效电路模型;对转子侧等效模型进行优化,使其与定子模型结合成完整的电机模型。基于所建立的模型理论,对等效电路进行仿真,仿真结果表明了转子对整个电机电气特征的影响。通过对实际超声电机的测试及其与仿真波形的对比,验证了所提出的行波型超声波电机等效电路模型的正确性,为进一步开展超声电机驱动器和控制器的设计提供了模型基础。     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。     

阶梯型弯曲振动聚能器的设计

在考虑转动惯性及剪切形变的影响下,研究出了一种简单并近似有效的阶梯型弯曲振动聚能器的设计方法,能很好地满足工程上的需要,并以纯弯曲理论对其放大倍数进行了分析,实验表明实测的弯曲聚能器谐振频率与理论符合很好。     

径向振动压电变压器的等效电路模型及特性研究

本文使用线性压电方程并结合相关的弹性理论对目前国际上刚刚出现的径向振动压电变压器进行了分析和研究,导出了该压电变压器的等效电路模型,并根据电路模型得出径向振动压电变压器的输入阻抗、输出阻抗、升压比、输出功率及效率等特性的数学表达式.文中通过实验对上述特性加以验证,实验结果与理论计算值基本一致,说明本文给出的径向振动压电变压器等效电路模型及其各种特性的数学表达式是正确的.     

同轴探针激励圆波导输入阻抗的研究

用等效电路的方法推导了圆波导内径向探针的输入阻抗表达式以及等效电路各参数的表达式，实验测量表明单个同轴探针与圆波导匹配良好。理论计算与实验测量吻合较好。     

压电超声换能器的阻抗匹配分析

介绍了压电超声换能器在串、并联谐振时的等效电路,并对换能器工作在两种谐振频率时的实时跟踪和工作性能进行了详细分析,通过对换能器的外部LC串联匹配分析和相应的阻抗匹配变换,提出了压电超声换能器在并联谐振角频率附近,具有很好的功率自动调节性能。     

多腔径向耦合输出系统的等效电路分析

多腔径向耦合构成的输出系统具有多个频率点(离散状态)的宽带特性,该文从等效电路的观点出发,给出了多腔径向耦合输出系统的等效电路,根据Kirchhoff定律建立了矩阵方程,导出阻抗矩阵,解出其系统的谐振频率,鉴于它的多模特点抽出它的典型状态推导出它的模式结构,揭示了径向耦合双腔的模式分布,反对称于轴向耦合双腔(双间隙腔),它是由2--2模构成。     

夹心式压电超声复频换能器的研究

对具有多个共振频率的纵向振动夹心式压电超声换能器进行了研究，该换能器由多组压电陶瓷片及金属棒组成。在一维纵向振动理论及等效电路的基础上，推出了夹心复频超声换能器的共振频率方程，设计并制作了一些复频换能器，并对换能器的共振频率、有效机耦系数和等效电阻抗等参数进行了测试。     

压电陶瓷圆环径向厚度振动分析

对压电陶瓷圆环的径向厚度振动进行了分析,使用压电理论和机械振动理论推导出压电陶瓷圆环的谐振和反谐振频率方程,采用图像法求解得到谐振频率,与实际测量结果的误差小于1%。该文还应用有限元分析软件对压电陶瓷圆环的振动模态进行了分析,并与理论计算进行了比较,结果吻合。     

一种新型阶梯盘形压电陶瓷变压器

提出并研究了一种新型阶梯盘形压电陶瓷变压器,与传统的点环形盘形压电陶瓷变压器相比,原来整个压电陶瓷圆盘由不同厚度的压电陶瓷内盘和外环所代替。论文应用压电方程并结合相关弹性理论对厚度极化的压电陶瓷圆盘和圆环的径向振动进行分析,并利用解析法获得了新型变压器径向振动的机电等效电路。在此基础上,得出了新型变压器的输入阻抗、共振频率、反共振频率、电压增益和功率效率的解析解;将计算所得共振频率、反共振频率与ANSYS模拟结果进行比较验证,模拟结果和理论计算值相吻合;且分析探讨了新型压电变压器的几何尺寸对最大电压增益和其对应的频率的影响。     

压电陶瓷频率响应及振动面幅值激光外差测量

压电陶瓷已广泛应用于检测、通讯等各个领域。该文采用外差式激光干涉测量法,开展了压电陶瓷振动特性研究。首先给出了激光外差干涉测振仪测试压电陶瓷振动特性的测量方法,并通过实验测得了压电陶瓷片单点振动的频率响应曲线,同时测量了径向直线上若干点的振动频响曲线,进而进行了整个压电陶瓷圆环表面在其谐振频率点的振动测量。实验结果表明,实测压电陶瓷片的谐振频率为30 710 Hz,与其产品标定值30 000 Hz存在710 Hz偏差。其圆环表面振动的振型具有不对称性,这对压电陶瓷的应用设计提供了指导意义。     

PZT压电陶瓷矩形振子的三维耦合振动

本文研究了压电陶瓷矩形振子的三维耦合振动,通过引入振子的等效弹性系数,用解析法导出了振子的共振频率方程,由频率方程计算了振子耦合振动的共振频率.理论分析表明,压电陶瓷细长棒的纵向振动,薄板的径向及厚度振动等都可由本文理论导出,与数值法相比,本文理论计算简单,物理意义明显.实验表明,振子共振频率的计算值与测量值基本符合.     

L波段薄膜体声波谐振器纵波谐振频率计算

薄膜体声波谐振器(FBAR)电极层和压电层的厚度、材料是影响谐振频率的主要因素,确定各层的厚度和材料可得到期望的谐振频率。通过推导FBAR纵向运动应力方程,得到各层厚度、材料、频率参数与角频率相关的公式;采用MATLAB对FBAR各层应力和位移的边界、连续性条件方程组的行列式进行牛顿迭代,得到各层的频率参数。将确定的各层厚度、材料参数值及由牛顿迭代得到的频率参数值代入公式,可以得出谐振频率为1.453 8GHz。采用ADS对具有与公式计算相同厚度、材料的FBAR进行纵向振动Mason模型等效电路仿真,得到仿真模型的谐振频率为1.463GHz。仿真验证结果表明,谐振频率公式计算值和模型仿真值较近,可采用频率公式计算L波段FBAR纵波谐振频率。     

Resonant Frequencies of Higher-Order Modes in Radial Resonators

A summary of the relevant work on radial line discontinuities and radial line resonators is presented. A step-type discontinuity is analyzed using an integral equation formulation and the results are applied to the calculation of the resonant frequencies of a radial resonator. This method is verified by experiment and compared with the foreshortened-line approximation and with the methods of Marcuvitz and Goddard, whose work is satisfactory for the order TM mode. However, the present method is the only one which is equally applicable to the calculation of the resonant frequencies of TM modes possessing higher-order radial variations.     

压电振子径厚耦合振动的二维等效电路研究

提出了一种轴向极化压电圆环和圆片的径厚二维耦合等效电路模型。应用这一模型分析了它们的耦合振动,比较了不同尺寸比例下耦合振动与单一模式振动的异同,发现这种方法比一维等效电路方法能在较宽尺寸范围内更准确的分析压电振子的振动问题。有限元计算和试验测量结果验证了这一模型对压电振子频率计算的准确性。