1、复合棒型压电换能器的纵弯振动第 27 卷第 6 期2005 年 12 月压电与声光PIEZOELECTRICSACoIISr(X)PTICSVo1.27No.6Dec.2005文章编号:1004-2474(2005)06-065503复合棒型压电换能器的纵弯振动贺西平(陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安 710062)摘要:在研究多模耦合宽频带复合棒型换能器的过程中发现这种换能器在空气中的纵弯振动具有明显的规律性.采用有限元方法分析计算了前辐射头在两端自由和小端面中心固定时在空气中的弯曲振动模态,以及这些模态随其几何尺寸变化的关系;计算分析了换能器多模振动特性与前盖板几何尺寸之间的变化关系.
2、为进一步实现换能器纵弯耦合,设计宽频带换能器提供了参考.关键词:复合棒型换能器;前辐射头;弯曲振动;有限元方法中图分类号:TB552 文献标识码:AFlexuralandLongitudinalVibrationofaCompoundBarPiezoelectricTransducerHEXi-ping(AppliedAcousticInstitute,ShaanxlNormalUniversity,Xian710062,China)Abstract:Thetitlementionedvibrationisfoundregularinairininvestigationofwidebandco
3、mpoundbartransducerbycouplingbetweenlongitudinalandflapping(orflexura1)vibratingmode.ByusingcommercialFEmethod.Forasingleheadsimulatingandit,sboundaryconditioninacompoundbartransducer,itsvibratingmodeandrelationshipsbetweenthemodeanditsgeometrysizeisanalyzedin-aiThelongitudinalelementaryfrequency,an
4、deoUpiingbetweentransducerlongitudinalandflappingonelementaryfrequencywithdimensionsofheadiscalculatedin-air.TheconclusionsarehelpfultOachieveawidebandcompoundbartransducerbymodecouplingbetweentheIongitudinalpistonmodeandtheflappingmode.Keywords:compoundbartransducer;head;flexuralvibrating;finiteele
5、mentmethod近几年,宽频带声换能器是国内外声学界研究的热门课题之一1q, 并已广泛应用于军事和民用.信号处理技术的迅速发展,需要从换能器上获取更多的信息.通常将复合棒纵振型换能器的前盖板设计成喇叭形,可增大辐射面积,以利于向前辐射声功率,同时可利用它来调节品质因数 QI 值.复合棒型换能器具有结构简单,易加工,适合于用作构成大型换能器基阵单元的特点.民用上的超声清洗用换能器属于这种形状.由于辐射头的特殊形状,在有源材料纵向振动的激励下,前盖板既有随同换能器其他组件一起产生的纵向振动,又会有由此引起的平行于轴向的弯曲振动出现.若能使前盖板的弯曲振动和整个换能器产生的纵向振动恰当耦合,就有
6、可能得到宽频带换能器4,喇叭头前盖板是这一耦合过程中的关键部件.文献 E53 中论述了换能器前辐射头与轴向相平行方向的弯曲振动的概念.在研究宽频带换能器的过程中,发现空气中这种复合棒型换能器的纵弯振动具有明显的规律性.本文详细分析计算了前辐射头在两端自由和小端面中心固定时在空气中的弯曲振动模态,以及这些模态随其几何尺寸变化的关系;计算分析了换能器多模振动特性与前盖板几何尺寸之间的变化关系.文中得出的结论既可为向空气中辐射的换能器应用提供参考,也可为实现换能器纵弯振动的耦合,设计宽频带换能器,提供参考.1 前辐射头的弯曲振动1.1 喇叭头前后两端面自由时在喇叭头后端面(或称小端面)处加纵向谐振力
7、,以激起喇叭头的弯曲振动.图 1 为喇叭头两端收稿日期:20040303基金项目:陕西省教育厅专项科研计划资助项目(04JK124)作者简介:贺西平(1965 一),男(汉), 江西永新人,副研究员,博士后,研究方向为超声工程,水声换能器系统的理论与设计,声信号处理.656 压电与声光 2005 年处于自由状态时,有限元模型及弯振基频模态.喇叭头的材料为铝,后端面(小端面)直径 50mm,前端面(大端面 )直径 70mm,厚 30mm.一一(a)喇叭头有限元模型(b)弯曲振动基频为 37.9kI-Iz图 1 自由状态时,喇叭头的有限元模型及弯振基频大量计算表明:(1)在其他任何尺寸都不变的情况
8、下,随着前端面直径的增大,弯曲振动基频将减小.(2)同一种横向尺寸的喇叭头,当厚度增大时,弯振基频趋于一稳定值.(3)横向尺寸和纵向尺寸都会影响喇叭头的弯曲振动频率,但横向尺寸的变化对喇叭头弯曲振动频率值影响最大.这是因为与喇叭头轴向方向相平行的弯曲振动的频率主要取决于横向尺寸.1.2 喇叭头前端面自由.后端面中心处固定时前盖板是复合棒型换能器中的一个组件,其后端面直接与其他组件通过螺栓而面面紧贴.为模拟前盖板在换能器中组成的边界条件,对单独存在的喇叭头,在其小端面中心处的一个螺栓直径范围内,施加固定边界条件,后端面的其他部分施加纵向谐振力,以激起喇叭头的弯曲振动.图 2 为后端面(小端面)
9、直径 50mm,前端面(大端面) 直径 j260mm, 厚 12mm 的喇叭头的弯振基频和二次频振动模态.(a)f,=16.2Iz(b)A=54.8Iz图 2 喇叭头的弯振基频和二次频振动模态从计算结果看,弯曲振动频率与喇叭头的几何尺寸间的关系为:(1)其他尺寸不变时,随着喇叭头前端直径的增大,弯振频率减小.(2)同一种横向尺寸的喇叭头,当厚度增大时,弯振基频趋于一稳定值.(3)在喇叭头其他尺寸不变时,前端面直径变化大于厚度变化所引起的弯振基频,二次基频改变的幅度.也就是说,喇叭头最大横向尺寸(前端面直径)对弯振频率起着主要作用.例如,当大端面直径由 j260mm 变化到 j265mm 时,L
10、 一 12 的喇叭头 ,二次频 54.8kHz 减小到 47.7kHz,降低了 7.1kHz;而两个喇叭头的厚度变化相同尺寸时,二次频变化的幅度都没有那么大.2 换能器的纵弯振动为设计宽频带换能器,寻求换能器的纵振和弯曲振动的恰当耦合,本文作者对常见结构的换能器做了大量的计算.换能器的前盖板(喇叭头)材料为铝,螺栓及后盖板材料为钢,保持换能器的后盖板直径为 j255mm,厚 30mm,陶瓷直径为 50mm,两片陶瓷厚 13mm,忽略电极厚度,螺栓直径为 15mm.前盖板的后端(小端)面直径为 50mm,前端(大端)面直径为 D,厚为 L.在只变化前盖板尺寸时,计算了各种尺寸的换能器.结果表明,
11、在 1.2 中计算的单独存在的喇叭头(后端面中心处固定时)出现的弯振基频,在由该喇叭头作为前盖板组件的换能器中消失了.前盖板的弯振基频却与 1.2 中计算的弯振二次频相接近.选取换能器的前两个谐振频率(换能器的纵振基频厂纵和因前盖板引起的弯振基频厂弯),计算数据及结果如表 1 所示.为便于比较,把后端面中心固定的单独存在的喇叭头的弯振二次频罗列在由它组成的前盖板的换能器计算结果后面,表中为空气中喇叭头的弯振频率.表 1 换能器及喇叭头谐振频率计算数据由表 1 可知,空气中换能器多模态频率与前盖板几何尺寸间的变化关系:(1)在 1.2 中计算的单独存在的喇叭头(小端面中心处固定时)出现的弯振基频
12、,在由该喇叭头作为前盖板的换能器中消失了.即换能器的基频为纵振基频,而换能器因前盖板所引起的弯振基频与第 6 期贺西平等:复合棒型压电换能器的纵弯振动 6571.2 中计算的单独存在的喇叭头的二次弯振频率相接近.可以这样理解,喇叭型前盖板是整体换能器其中的一个部件,它的中心部分肯定与换能器中其部件连接在一起.因此,在换能器振型中,前盖板所处的边界条件与单个喇叭头在前后两端面的自由状态下的边界条件不同,故而,它们的弯曲振动模态也肯定不同.(2)在前盖板其他尺寸不变的情况下,换能器纵振基频随着厚度的增大而减小,随着前盖板前端直径的增大而降低.变化相同尺寸时,两者比较,前者对纵振基频的降低影响较大,
13、厚度的增加对弯振基频的变化影响不大,且随着厚度的增大弯振基频趋于一稳定值;后者对弯振基频的降低影响较大,前盖板前端直径的增加使得换能器纵振基频降低,降低的幅度没有因前盖板厚度增加降低的大.(3)在我们研究的换能器尺寸组成的范围内(通常指超声换能器尺寸的设计值),换能器的纵振基频要小于因前盖板的弯曲振动引起的换能器的弯振基频.(4)换能器其他尺寸不变,喇叭头前端直径相同时,换能器的前两个频率之差随着前盖板厚度的增加而逐渐增大,即两频率间距逐渐拉大.这是由于随着前盖板厚度增加,换能器的纵振基频降低,而弯振基频却趋于稳定值,因此,换能器的纵振基频与前盖板的弯振基频之间的间距将因纵振基频的降低而拉大.
14、可以预料,在前盖板其他尺寸不变,前盖板厚度较薄时,换能器的纵振基频与前盖板的弯振基频间的间距较小.(5)换能器其他尺寸不变,喇叭头厚度相同时,换能器的前两个频率之差随着前盖板前端直径的增大而逐渐减小,即两频率间距逐渐拉小.最后两点实际上是统一的,我们可以这样来描述:前两个频率间距取决于 D/L 值(前盖板前端直径与前盖板厚度之比),若这个比值变大,则两频率间距会拉小;若比值变小,则两频率间距会拉大.3 结论a.换能器前盖板的弯振基频,与单独存在的喇叭头,在其小端面中心处固定时一这个固定区域的大小与换能器中螺栓直径相同,喇叭头的弯曲振动的二次弯振频率相接近.b.换能器的纵振基频要小于因前盖板的弯
15、曲振动引起的换能器的弯振基频.C.换能器的前两个频率间距取决于前盖板前端直径与前盖板厚度之比,若比值变大,则两频率间距会拉小;若比值变小,则两频率间距会拉大.参考文献:1RONALDEMckeighe.OptimizationofbroadbandtransducerdesignsbyuseofstatisticaldesignofexperimentsJ.IEEETransUltrasonFerrelecFreqCont,1996,3(1):6369.2俞宏沛,宋兰英 .采用多模振动拓宽换能器频带的几种方法J.声学与电子工程,1999,55(3):2327.3陈航,张允孟 ,李志舜.具有阻抗
16、匹配层的宽带纵向振动压电换能器设计J.应用声学,2001,20(2):3134.4RAJAPAND.Performanceofalow-frequency,multiresonantbroadbandtonpilztransducerJ.JAcoustSocAm,2002,111(4):16921694.5贺西平,胡时岳 ,陈航.换能器前辐射头与轴向相平行方向的弯曲振动J.应用声学,2003,22(5):9-12.姓名:职务:地址:压电与声光广告免费咨询卡职称:单位:邮编:电话:您对本刊年期的口彩色口黑白口刊花广告公司(厂家 )产品 /技术感兴趣希望:口索取公司资料口索取产品资料口询问价格口建立业务联系口其他请将卡片寄往(或传真): 压电与声光编辑部读者服务部通讯地址:重庆南坪 2513 信箱(400060)电话:023=62919570 传真:023 6280528462805531
