Spherical-Cymbal换能器位移特性研究

提出了一种新型高位移性能的球冠钹型(Spherical-Cymbal)压电复合换能器。Spherical-Cymbal换能器由厚度方向极化的压电陶瓷薄圆片夹持在两个球形金属端帽间制成,每个金属端帽内表面均有一个浅球冠形空腔,球形金属端帽起机械放大作用,它将压电陶瓷薄圆片的微小径向位移转换并放大为垂直其表面的较大的轴向位移。在变形假设条件下,建立了Spherical-Cymbal换能器的位移简化模型。数值计算结果表明,Spherical-Cymbal换能器比钹型(Cymbal)换能器具有更好的位移特性,某给定几何尺寸Spherical-Cymbal换能器的轴向位移是无端帽压电陶瓷薄圆片轴向位移的43.7倍,是相同尺寸Cymbal换能器轴向位移的1.1倍。

Cymbal换能器的材料常数与机电性能关系研究

用有限元方法和ANSYS软件,仿真计算了不同材料对Cymbal换能器的机械、电及机电性能的影响。研制了Cymbal换能器并进行了测量,计算结果和实测结果符合较好(误差≤6%)。通过这一研究得到了材料常数与Cymbal换能器的机电性能之间的关系。研究结果对Cymbal换能器的研究和设计工作具有实际意义。

Cymbal换能器的有限元动力学分析

用有限元法和ANSYS 5.7软件模拟、分析了Cymbal换能器的动力学特性。在模态分析的基础上进行了动力学分析,计算了Cymbal换能器前3阶振动模态的位移分布曲线,速度分布曲线和加速度分布曲线。研究了Cymbal换能器的不同空腔高度与它的谐振频率、位移、加速度和速度分布曲线之间的关系。研制了Cymbal换能器样品。ANSYS5.7软件的Cymbal换能器动力学分析结果与用POLYTEC PSV300-F Scanning Laser Vibro-meter型激光扫描仪对Cymbal换能器样品的实测值相近。

形状参数对Cymbal换能器发电能力的影响

Cymbal(钹)换能器由两个金属端帽和夹在中间的压电陶瓷圆片组成。首次将Cymbal换能器作为发电装置研究,建立了刚性杆铰接简化力学模型。采用有限元方法对Cymbal换能器力电耦合场进行分析,计算出了产生的电压和电场能随空腔深度、端帽厚度和端帽顶部直径增大递减,随端帽空腔底部直径增大递增的变化规律。利用Cymbal换能器刚性杆铰接模型对计算结果给出了力学解释,并计算出了在金属端帽不屈服情况下的最大发电功率。

Cymbal换能器结构参数与机电性能的研究

Cymbal换能器的结构参数对其机电性能起着重要的作用。用有限元法和ANSYS软件仿真计算了不同结构参数对Cymbal换能器的机械、电及机电性能的影响。研制了Cymbal换能器样品并进行了测量,仿真计算的结果和Cymbal样品的实测结果符合较好。通过这一研究得到了结构参数与Cymbal换能器的机电性能之间的关系。

Cymbal换能器的力电性能

研究了Cymbal换能器的力电性能。在简单支承边界条件下,应用压电-弹性理论、克希霍夫薄板振动理论、瑞利-李兹理论和等效电路方法分析了Cymbal换能器的机电特性,给出了Cymbal换能器的近似解和串联共振频率方程,研究了Cymbal换能器在无负载条件下的等效电路及相关参数和Cymbal换能器空腔深度与空腔底部半径的比与谐振频率和机电耦合系数的关系。根据数值分析结果得到最佳机电耦合系数,为Cymbal换能器的优化设计提供了理论依据。

Cymbal压电发电机系统

建立了Cymbal压电发电机发电系统,设计了DC-DC型能量存储电路并进行了压电发电性能研究。同时实验研究了占空比、电感等参数对压电发电性能的影响。研究结果表明,占空比这个DC-DC电路中的重要参数存在一个最佳值,使得负载的输出功率达到最大。在一定范围内电感对负载输出电压的影响不大,但对输出功率的影响比较明显。当占空比为2%、电感为1.5 mH时,压电发电机最大输出功率可达到10.5 mW。由Cymbal压电发电机产生的电能能够满足微型机电系统、网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。

基于ANSYS的Cymbal换能器等效压电常数分析

本文研究了Cymbal换能器的工作机理,用有限元分析方法建立了该换能器的有限元分析模型,制作了几种规格的Cymbal换能器。压电陶瓷PZT-5A作为Cymbal换能器的压电相,铜箔作为端帽电极。分析了压力与Cymbal换能器位移、等效压电常数d33e与端帽电极以及压电陶瓷片形状参数之间的关系,确立了钹式换能器的等效压电常数d33e达到最大值的结构参数,并且对有限元软件的计算值和试验值进行了比较。

Cymbal型压电堆叠阵列的振动分析

基于Kirchhoff薄板理论,推导了Cymbal型压电堆叠阵列在周期性均布载荷作用下的等效刚度,利用试验测定了堆叠阵列的阻尼因子,通过模态分析推导了系统的振型频率方程并获得在外部简谐激励下振动位移的一般解。由频率方程计算得到的各阶振型频率与采用有限元方法计算及试验测试的结果基本一致。

Cymbal型压电复合换能器的数学模型

研究了Cymbal换能器的工作机理。利用压电方程和弹性力学公式,推导了Cym-bal换能器的径向和轴向谐振频率,给出了轴向位移与径向位移之间的数学关系式。部分实验数据与理论计算结果表明,Cymbal换能器的轴向有效压电应变常数是相同规格压电元件的40倍,在压电式微位移驱动器或超声换能器技术领域具有一定的应用前景。

Spherical-Cymbal换能器位移特性有限元分析

提出了一种新型的Spherical-Cymbal压电复合换能器,Spherical-Cymbal换能器由厚度方向极化的压电陶瓷薄圆片夹持在两个球形金属端帽之间制成,每个金属端帽内表面均有一个浅球冠形空腔,球形金属端帽起机械放大作用,它将压电陶瓷薄圆片的微小径向位移转换并放大为垂直其表面的较大的轴向位移。分析了影响Spherical-Cymbal换能器轴向位移性能的几何因素及物理因素,采用ANSYS软件对Spherical-Cymbal换能器位移特性进行了仿真。

Cymbal单元的薄型低频宽带水声发射换能器设计

为了研究安装方便、便于携带的薄型低频发射换能器,使用有限元法对Cymbal换能器单元的设计结构进行了仿真分析,并将换能器单元的谐振频率与实际测量值进行了比较.将Cymbal换能器单元进行阵列,设计了一种新型的低于10 kHz薄板型水声发射换能器,对一个厚度为25 mm、辐射面积78.5 cm2的薄板发射换能器实验模型进行了测量与标定.研究结果表明,通过阵列Cymbal换能器单元构建的发射换能器是一种工作在10 kHz以下的薄型低频宽带水声换能器,其发射声源级比尺寸类似的1-3型压电复合材料换能器高20 dB.

交变载荷作用下Cymbal换能器的压电性能

Cymbal换能器具有较高等效压电常数的特点,使其可能成为开辟新能源的一条有效途径。采用有限元方法对该换能器共振和非共振交变载荷作用下的电耦合场进行分析。计算结果表明,Cymbal换能器在共振交变载荷作用下所产生的开路电压很高,但由于此时所产生的应力较高,使得换能器工作失效;而在低频非共振交变载荷作用下该换能器能够正常工作,并产生与载荷同频率的具有一定幅值的交变电压。仿真结果表明,Cymbal换能器在非共振低频状态下,可以产生与载荷力同周期的具有一定大小的电压,可作为收集常见低频振动将机械能转化为电能的压电换能元件。

关于金属端帽压电复合换能器Cymbal的研究

研究了金属端帽尺寸对压电复合换能器Ｃｙｍｂａｌ位移的影响。Ｃｙｍｂａｌ由在厚度方向极化的压电陶瓷片（ＰＺＴ－５Ａ）夹在两个薄的黄铜端帽之间，每一个端帽的内表面都有一个圆台形空穴。在施加交流电场下，陶瓷径向收缩，端帽弹性运动，在法向于端帽的方向产生一个放大的位移。Ｃｙｍｂａｌ换能器比相同尺寸的陶瓷元件的位移要高出近４０倍。

基于正交实验的Spherical-cymbal换能器谐振频率优化

基于板壳振动理论建立了spherical-cymbal换能器谐振频率近似模型,为得到该换能器在约束条件下的最低谐振频率,采用正交实验法对其进行了优化设计,找出了各设计因素对spherical-cymbal换能器谐振频率影响的主次顺序,得到了约束条件下各设计因素的最佳水平。在各设计因素最佳水平综合搭配下,优化的spherical-cymbal换能器的谐振频率达到最小值19.004 k Hz,完全满足设计目标要求。对最优方案样品的一阶谐振频率进行了测试,实测谐振频率均值为19.27 kHz,相对误差1.4%,表明设计方案是正确合理的。

一种新型Cymbal换能器的研究

提出并研究了一种新型的Cymbal换能器。与传统的Cymbal换能器相比,该换能器中的压电陶瓷圆盘由一个金属圆环和压电陶瓷圆盘的径向组合体所代替。论文首先探讨了压电陶瓷圆盘和金属圆环组合体的径向振动,用解析方法得出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,得出了新型Cymbal换能器的机电等效电路,并得出了其共振及反共振频率方程。其次,利用数值计算方法,对这种新型的Cymbal换能器的共振频率和振动性能进行了研究。分析了Cymbal换能器的几何尺寸对其共振频率及有效机电耦合系数等参数的影响,探讨了其输入导纳的频率特性。所得结论为此类Cymbal换能器的优化设计及工程应用奠定一定的理论基础。本文提出的新型Cymbal换能器具有较大的几何尺寸、较高的机械强度以及功率容量等优点,可望在较大功率的水声及超声辐射器中获得较为广泛的应用。

Cymbal型压电发电装置等效压电常数分析

压电发电工作于低频时所收集的能量与其等效压电常数和等效电压常数的乘积成正比。为了研究Cymbal型压电发电装置的等效压电常数,建立了Cymbal型压电发电装置的三维有限元分析模型,并分析得出了等效压电常数计算公式;详细地分析了Cymbal型发电装置中金属帽的材料和厚度、金属腔底端直径和顶端直径、金属腔高度、压电陶瓷片厚度等因素对等效压电常数的影响,并给出了等效压电常数的优化准则。试验结果表明,经优化后可获得的等效压电常数大约相当于压电陶瓷本身的60倍。

Cymbal换能器的有限元分析仿真技术研究

采用了有限元分析方法、借助ANSYS软件设计了Cymbal换能器,给出了2种有效的流体单元划分方法;通过仿真计算,分析了金属端冒的不同尺寸对有效机电耦合系数、机械品质因素、节点位移及谐振频率的影响,从而设计出最优尺寸的Cymbal换能器,并对其进行了3阶模态振型和谐响应动力学分析,解决了该换能器旋转对称面上存在跃变的应力和应变给设计工作带来的困难及理论上难以解决的问题。

Cymbal换能器发电性能的有限元分析

利用Cymbal换能器的正压电效应将应变能转化为电能,捕获能量,是开辟新能源的一条有效途径。采用有限元方法对Cymbal换能器力电耦合场进行分析,计算结果表明,换能器非共振条件短路电压随金属端帽底径的增大而增大,随金属帽厚度、顶径、内腔高度的增大而递减。最小二乘法的拟合结果呈现出上述参数对电压影响程度依次减弱的变化规律。选择合适的结构参数设计的Cymbal换能器,将其作为发电元件,可获得较高的电压及功率。

形状参数对Cymbal执行器压电性能的影响

研究金属端帽及压电陶瓷的形状参数对压电复合执行器 Cymbal压电性能的影响。Cymbal执行器由在厚度方向极化的压电陶瓷片 (PZT- 5 A)夹在两个薄的黄铜端帽之间 ,每一个端帽的内表面都有一个圆台形空穴。Cymbal执行器的纵向等效压电常数 de33与金属端帽的直径 de2 、内腔深度 te、黄铜箔的厚度 tb及压电陶瓷片的直径dp、厚度