換能器的優(yōu)化設計與實驗課件

超聲波換能器優(yōu)化設計與實驗學生：孫駿指導教師：童凱工業(yè)自動化儀表2班2013年6月超聲波換能器優(yōu)化設計與實驗學生：孫駿工業(yè)自動化儀表2班201目錄1234緒論大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心壓電超聲換能器的有限元設計目錄1234緒論大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸夾心壓電2一、緒論

超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。

在功率超聲應用中使用最為廣泛的大功率換能器為壓電超聲換能器，尤其是夾心式壓電超聲換能器。夾心式壓電超聲換能器概述圖1-1夾心式壓電陶瓷換能

器結(jié)構示意圖a.前蓋板b.預應力螺栓c.壓電陶瓷片d.后蓋板一、緒論超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號3一、緒論隨著換能器應用范圍的逐漸擴大，就出現(xiàn)了在下述兩種情況下一維理論無法解決的問題：第一是高頻情況。第二是大功率問題本文的選題背景及研究意義一、緒論隨著換能器應用范圍的逐漸擴大，就出現(xiàn)了在下述兩種情況4一、緒論本文主要開展了如下研究內(nèi)容:(1)對大尺寸壓電超聲換能器的組件進行振動特性分析，得到考慮縱徑耦合時的頻率方程表達式。(2)采用有限元軟件ANSYS對設計的一組大尺寸壓電夾心換能器進行模態(tài)分析及諧響應分析，提取了表達換能器性能的頻響曲線。（3）基于大尺寸換能器較為強烈的徑向振動模態(tài)，探究新型的多頻或復頻換能器。本文研究內(nèi)容一、緒論本文主要開展了如下研究內(nèi)容:本文研究內(nèi)容5二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動圖2-1圓柱體彈性振動示意圖（2-1）（2-2）利用表觀彈性法的理論研究，根據(jù)文獻資料可推導得到圓柱體耦合振動的耦合系數(shù)方程及頻率方程：二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動圖2-16二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性為驗證(2-1)、(2-2)兩式對一維設計理論的修正作用，探究耦合振動對一維理論的影響，對一組長度直徑比l/a不同的短圓柱體進行了理論計算和有限元仿真研究。短圓柱體的耦合振動圖2-2圓柱體建模示意圖

圖2-3圓柱體徑向振動示意圖二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性為驗證(2-1)、(2-27二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性表2-1利用三種計算方法得到的短圓柱共振頻率短圓柱體的耦合振動編號l/mma/mml/af0z/Hzf0r/Hzf1z/Hzf1r/Hzfz/Hzfr/Hz1241200.25364615060675151148466471014652233.6840.438318215145064020196464922011435071.50.7257502527539986202234272020245457.357.31224693153920161436072012243558545.5351.3282975163426652680132676064234627.7151.85464131204804513915372944706165093760302214586024020959765182070879066二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性表2-1利用三種計算方法得8二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動表2-2一維理論與耦合理論的誤差值比較編號|(f0z-fz)/fz|%|(f0r-fr)/fr|%|(f1z-fz)/fz|%|(f1r-fr)/fr|%117.12.74.31.3217.56.98.90.4339.724.86.30.1411.727.60.20.155.719.60.46.863.8270.96.973.623.81.23.2二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動表2-29二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動10二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確設計圖2-6軸對稱單元體示意圖基于附加能量法的相關理論，并通過查閱文獻和相關公式的推導，可以得到考慮橫向振動耦合作用后指數(shù)變幅桿縱振動共振頻率的修正公式:(2-3)二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確11二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確設計為驗證本文理論的精確度，作者設計了一組較大尺寸的指數(shù)變幅桿。圖2-7指數(shù)變幅桿建模圖形圖2-8變幅桿振型二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確12二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確設計R1(m)R2(m)l(m)f1(Hz)f2(Hz)f3(Hz)Δf1(%)Δf2(%)0.080.0150.1519829170141627321.94.60.060.0150.151212818612182384.920.050.020.151822917939178122.30.70.040.020.151792117815177111.20.6表2-3不同尺寸指數(shù)變幅桿理論值與仿真值二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確13二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性圖2-9壓電陶瓷圓片示意圖根據(jù)有限尺寸壓電圓片振子的耦合振動理論，通過文獻查閱和相關公式的推導，可以得到：(2-4)(2-5)二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性14二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性為驗證本文得出的有限尺寸壓電陶瓷振子的耦合振動理論，設計了幾個振子對其使用ANSYS軟件進行驗證分析。圖2-10壓電陶瓷圓環(huán)有限元模型圖2-11壓電陶瓷圓環(huán)徑向振動模型二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性15二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性采用full法對壓電圓環(huán)進行諧響應分析，阻尼系數(shù)設為經(jīng)驗值0.003,設置50階子步，采用稀疏矩陣求解器求解。(×102)圖2-12壓電圓環(huán)的導納隨頻率變化曲線Y二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性16二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性圖2-13壓電圓環(huán)導納的實部G隨頻率變化曲線圖2-14壓電圓環(huán)導納的虛部B隨頻率變化曲線(×102)(×102)二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性17三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心超聲換能器的頻率方程

圖3-1夾心式超聲換能器的結(jié)構示意圖三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心超聲換能器的頻18三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心超聲換能器的頻率方程

通過查閱相關文獻和推導有關公式可以得到：(3-1)(3-2)(3-3)(3-1)式為耦合作用下夾心換能器蓋板的徑向頻率方程(3-2)式為耦合作用下夾心換能器壓電陶瓷圓片的徑向頻率方程(3-3)式為耦合作用下四分之一波長振子的等效縱振動頻率方程三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心超聲換能器的頻19三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性編號l1(mm)l2(mm)R1(mm)R2(mm)l01(mm)l02(mm)R0(mm)13030262666252383831318830有限元仿真為驗證本文結(jié)果，設計兩個大尺寸壓電夾心換能器并利用ANSYS進行有限元仿真表3-1仿真用換能器的尺寸參數(shù)fl0(Hz)fl1(Hz)f(Hz)Δf1(％)Δf2(％)3123134155318260.567.32317928232237891.2623.3表3-2不同方法得到的換能器縱振動共振頻率值三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性編號l1(mm)l2(m20三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性有限元仿真

以一號換能器為例，采用SOLID5單元類型。由于換能器的對稱性，為節(jié)省計算時間建立四分之一實體模型，加載對稱邊界條件，采用映射法生成網(wǎng)格。圖3-2換能器四分之一模型圖3-3換能器縱向振動示意圖三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性有限元仿真以一號換能器21三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性有限元仿真(×102)(×102)圖3-4換能器導納Y模值頻響曲線圖3-5導納分量G、B的頻響曲線三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性有限元仿真(×102)(22大尺寸夾心壓電超聲換能器的有限元設計ANSYS軟件分析壓電換能器的一般步驟4-1ANSYS分析壓電換能器流程圖大尺寸夾心壓電超聲換能器的有限元設計ANSYS軟件分析壓電換23謝謝聆聽·謝謝聆聽·24超聲波換能器優(yōu)化設計與實驗學生：孫駿指導教師：童凱工業(yè)自動化儀表2班2013年6月超聲波換能器優(yōu)化設計與實驗學生：孫駿工業(yè)自動化儀表2班201目錄1234緒論大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心壓電超聲換能器的有限元設計目錄1234緒論大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸夾心壓電26一、緒論

超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。

在功率超聲應用中使用最為廣泛的大功率換能器為壓電超聲換能器，尤其是夾心式壓電超聲換能器。夾心式壓電超聲換能器概述圖1-1夾心式壓電陶瓷換能

器結(jié)構示意圖a.前蓋板b.預應力螺栓c.壓電陶瓷片d.后蓋板一、緒論超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變電信號27一、緒論隨著換能器應用范圍的逐漸擴大，就出現(xiàn)了在下述兩種情況下一維理論無法解決的問題：第一是高頻情況。第二是大功率問題本文的選題背景及研究意義一、緒論隨著換能器應用范圍的逐漸擴大，就出現(xiàn)了在下述兩種情況28一、緒論本文主要開展了如下研究內(nèi)容:(1)對大尺寸壓電超聲換能器的組件進行振動特性分析，得到考慮縱徑耦合時的頻率方程表達式。(2)采用有限元軟件ANSYS對設計的一組大尺寸壓電夾心換能器進行模態(tài)分析及諧響應分析，提取了表達換能器性能的頻響曲線。（3）基于大尺寸換能器較為強烈的徑向振動模態(tài)，探究新型的多頻或復頻換能器。本文研究內(nèi)容一、緒論本文主要開展了如下研究內(nèi)容:本文研究內(nèi)容29二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動圖2-1圓柱體彈性振動示意圖（2-1）（2-2）利用表觀彈性法的理論研究，根據(jù)文獻資料可推導得到圓柱體耦合振動的耦合系數(shù)方程及頻率方程：二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動圖2-130二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性為驗證(2-1)、(2-2)兩式對一維設計理論的修正作用，探究耦合振動對一維理論的影響，對一組長度直徑比l/a不同的短圓柱體進行了理論計算和有限元仿真研究。短圓柱體的耦合振動圖2-2圓柱體建模示意圖

圖2-3圓柱體徑向振動示意圖二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性為驗證(2-1)、(2-231二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性表2-1利用三種計算方法得到的短圓柱共振頻率短圓柱體的耦合振動編號l/mma/mml/af0z/Hzf0r/Hzf1z/Hzf1r/Hzfz/Hzfr/Hz1241200.25364615060675151148466471014652233.6840.438318215145064020196464922011435071.50.7257502527539986202234272020245457.357.31224693153920161436072012243558545.5351.3282975163426652680132676064234627.7151.85464131204804513915372944706165093760302214586024020959765182070879066二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性表2-1利用三種計算方法得32二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動表2-2一維理論與耦合理論的誤差值比較編號|(f0z-fz)/fz|%|(f0r-fr)/fr|%|(f1z-fz)/fz|%|(f1r-fr)/fr|%117.12.74.31.3217.56.98.90.4339.724.86.30.1411.727.60.20.155.719.60.46.863.8270.96.973.623.81.23.2二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動表2-233二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性短圓柱體的耦合振動34二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確設計圖2-6軸對稱單元體示意圖基于附加能量法的相關理論，并通過查閱文獻和相關公式的推導，可以得到考慮橫向振動耦合作用后指數(shù)變幅桿縱振動共振頻率的修正公式:(2-3)二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確35二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確設計為驗證本文理論的精確度，作者設計了一組較大尺寸的指數(shù)變幅桿。圖2-7指數(shù)變幅桿建模圖形圖2-8變幅桿振型二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確36二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確設計R1(m)R2(m)l(m)f1(Hz)f2(Hz)f3(Hz)Δf1(%)Δf2(%)0.080.0150.1519829170141627321.94.60.060.0150.151212818612182384.920.050.020.151822917939178122.30.70.040.020.151792117815177111.20.6表2-3不同尺寸指數(shù)變幅桿理論值與仿真值二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性大尺寸指數(shù)超聲變幅桿的精確37二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性圖2-9壓電陶瓷圓片示意圖根據(jù)有限尺寸壓電圓片振子的耦合振動理論，通過文獻查閱和相關公式的推導，可以得到：(2-4)(2-5)二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性38二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性為驗證本文得出的有限尺寸壓電陶瓷振子的耦合振動理論，設計了幾個振子對其使用ANSYS軟件進行驗證分析。圖2-10壓電陶瓷圓環(huán)有限元模型圖2-11壓電陶瓷圓環(huán)徑向振動模型二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性39二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性采用full法對壓電圓環(huán)進行諧響應分析，阻尼系數(shù)設為經(jīng)驗值0.003,設置50階子步，采用稀疏矩陣求解器求解。(×102)圖2-12壓電圓環(huán)的導納隨頻率變化曲線Y二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性40二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性圖2-13壓電圓環(huán)導納的實部G隨頻率變化曲線圖2-14壓電圓環(huán)導納的虛部B隨頻率變化曲線(×102)(×102)二、大尺寸彈性超聲振動體的振動特性有限尺寸壓電體耦合振動特性41三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心超聲換能器的頻率方程

圖3-1夾心式超聲換能器的結(jié)構示意圖三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心超聲換能器的頻42三、大尺寸夾心壓電超聲換能器振動特性大尺寸夾心超聲換能器的頻率方程

通過查閱相關文獻和推導有關公式可以得到：(3-1)(3-2)(3-3)(3-1)式為耦合作用下夾心換能器蓋板的徑向頻率方程(3-2)式為耦合作用下夾心換能器壓電陶瓷圓片的徑向頻率方程(3-3)式為耦