换能器的优化设计与实验课件

超声波换能器优化设计与实验学生：孙骏指导教师：童凯工业自动化仪表2班2013年6月超声波换能器优化设计与实验学生：孙骏工业自动化仪表2班201目录1234绪论大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心压电超声换能器的有限元设计目录1234绪论大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸夹心压电2一、绪论

超声换能器是在超声频率范围内将交变电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件。

在功率超声应用中使用最为广泛的大功率换能器为压电超声换能器，尤其是夹心式压电超声换能器。夹心式压电超声换能器概述图1-1夹心式压电陶瓷换能

器结构示意图a.前盖板b.预应力螺栓c.压电陶瓷片d.后盖板一、绪论超声换能器是在超声频率范围内将交变电信号3一、绪论随着换能器应用范围的逐渐扩大，就出现了在下述两种情况下一维理论无法解决的问题：第一是高频情况。第二是大功率问题本文的选题背景及研究意义一、绪论随着换能器应用范围的逐渐扩大，就出现了在下述两种情况4一、绪论本文主要开展了如下研究内容:(1)对大尺寸压电超声换能器的组件进行振动特性分析，得到考虑纵径耦合时的频率方程表达式。(2)采用有限元软件ANSYS对设计的一组大尺寸压电夹心换能器进行模态分析及谐响应分析，提取了表达换能器性能的频响曲线。（3）基于大尺寸换能器较为强烈的径向振动模态，探究新型的多频或复频换能器。本文研究内容一、绪论本文主要开展了如下研究内容:本文研究内容5二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动图2-1圆柱体弹性振动示意图（2-1）（2-2）利用表观弹性法的理论研究，根据文献资料可推导得到圆柱体耦合振动的耦合系数方程及频率方程：二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动图2-16二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性为验证(2-1)、(2-2)两式对一维设计理论的修正作用，探究耦合振动对一维理论的影响，对一组长度直径比l/a不同的短圆柱体进行了理论计算和有限元仿真研究。短圆柱体的耦合振动图2-2圆柱体建模示意图

图2-3圆柱体径向振动示意图二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性为验证(2-1)、(2-27二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性表2-1利用三种计算方法得到的短圆柱共振频率短圆柱体的耦合振动编号l/mma/mml/af0z/Hzf0r/Hzf1z/Hzf1r/Hzfz/Hzfr/Hz1241200.25364615060675151148466471014652233.6840.438318215145064020196464922011435071.50.7257502527539986202234272020245457.357.31224693153920161436072012243558545.5351.3282975163426652680132676064234627.7151.85464131204804513915372944706165093760302214586024020959765182070879066二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性表2-1利用三种计算方法得8二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动表2-2一维理论与耦合理论的误差值比较编号|(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、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动表2-29二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动10二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确设计图2-6轴对称单元体示意图基于附加能量法的相关理论，并通过查阅文献和相关公式的推导，可以得到考虑横向振动耦合作用后指数变幅杆纵振动共振频率的修正公式:(2-3)二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确11二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确设计为验证本文理论的精确度，作者设计了一组较大尺寸的指数变幅杆。图2-7指数变幅杆建模图形图2-8变幅杆振型二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确12二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确设计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不同尺寸指数变幅杆理论值与仿真值二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确13二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性图2-9压电陶瓷圆片示意图根据有限尺寸压电圆片振子的耦合振动理论，通过文献查阅和相关公式的推导，可以得到：(2-4)(2-5)二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性14二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性为验证本文得出的有限尺寸压电陶瓷振子的耦合振动理论，设计了几个振子对其使用ANSYS软件进行验证分析。图2-10压电陶瓷圆环有限元模型图2-11压电陶瓷圆环径向振动模型二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性15二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性采用full法对压电圆环进行谐响应分析，阻尼系数设为经验值0.003,设置50阶子步，采用稀疏矩阵求解器求解。(×102)图2-12压电圆环的导纳随频率变化曲线Y二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性16二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性图2-13压电圆环导纳的实部G随频率变化曲线图2-14压电圆环导纳的虚部B随频率变化曲线(×102)(×102)二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性17三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心超声换能器的频率方程

图3-1夹心式超声换能器的结构示意图三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心超声换能器的频18三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心超声换能器的频率方程

通过查阅相关文献和推导有关公式可以得到：(3-1)(3-2)(3-3)(3-1)式为耦合作用下夹心换能器盖板的径向频率方程(3-2)式为耦合作用下夹心换能器压电陶瓷圆片的径向频率方程(3-3)式为耦合作用下四分之一波长振子的等效纵振动频率方程三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心超声换能器的频19三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性编号l1(mm)l2(mm)R1(mm)R2(mm)l01(mm)l02(mm)R0(mm)13030262666252383831318830有限元仿真为验证本文结果，设计两个大尺寸压电夹心换能器并利用ANSYS进行有限元仿真表3-1仿真用换能器的尺寸参数fl0(Hz)fl1(Hz)f(Hz)Δf1(％)Δf2(％)3123134155318260.567.32317928232237891.2623.3表3-2不同方法得到的换能器纵振动共振频率值三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性编号l1(mm)l2(m20三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性有限元仿真

以一号换能器为例，采用SOLID5单元类型。由于换能器的对称性，为节省计算时间建立四分之一实体模型，加载对称边界条件，采用映射法生成网格。图3-2换能器四分之一模型图3-3换能器纵向振动示意图三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性有限元仿真以一号换能器21三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性有限元仿真(×102)(×102)图3-4换能器导纳Y模值频响曲线图3-5导纳分量G、B的频响曲线三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性有限元仿真(×102)(22大尺寸夹心压电超声换能器的有限元设计ANSYS软件分析压电换能器的一般步骤4-1ANSYS分析压电换能器流程图大尺寸夹心压电超声换能器的有限元设计ANSYS软件分析压电换23谢谢聆听·谢谢聆听·24超声波换能器优化设计与实验学生：孙骏指导教师：童凯工业自动化仪表2班2013年6月超声波换能器优化设计与实验学生：孙骏工业自动化仪表2班201目录1234绪论大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心压电超声换能器的有限元设计目录1234绪论大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸夹心压电26一、绪论

超声换能器是在超声频率范围内将交变电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换成电信号的能量转换器件。

在功率超声应用中使用最为广泛的大功率换能器为压电超声换能器，尤其是夹心式压电超声换能器。夹心式压电超声换能器概述图1-1夹心式压电陶瓷换能

器结构示意图a.前盖板b.预应力螺栓c.压电陶瓷片d.后盖板一、绪论超声换能器是在超声频率范围内将交变电信号27一、绪论随着换能器应用范围的逐渐扩大，就出现了在下述两种情况下一维理论无法解决的问题：第一是高频情况。第二是大功率问题本文的选题背景及研究意义一、绪论随着换能器应用范围的逐渐扩大，就出现了在下述两种情况28一、绪论本文主要开展了如下研究内容:(1)对大尺寸压电超声换能器的组件进行振动特性分析，得到考虑纵径耦合时的频率方程表达式。(2)采用有限元软件ANSYS对设计的一组大尺寸压电夹心换能器进行模态分析及谐响应分析，提取了表达换能器性能的频响曲线。（3）基于大尺寸换能器较为强烈的径向振动模态，探究新型的多频或复频换能器。本文研究内容一、绪论本文主要开展了如下研究内容:本文研究内容29二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动图2-1圆柱体弹性振动示意图（2-1）（2-2）利用表观弹性法的理论研究，根据文献资料可推导得到圆柱体耦合振动的耦合系数方程及频率方程：二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动图2-130二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性为验证(2-1)、(2-2)两式对一维设计理论的修正作用，探究耦合振动对一维理论的影响，对一组长度直径比l/a不同的短圆柱体进行了理论计算和有限元仿真研究。短圆柱体的耦合振动图2-2圆柱体建模示意图

图2-3圆柱体径向振动示意图二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性为验证(2-1)、(2-231二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性表2-1利用三种计算方法得到的短圆柱共振频率短圆柱体的耦合振动编号l/mma/mml/af0z/Hzf0r/Hzf1z/Hzf1r/Hzfz/Hzfr/Hz1241200.25364615060675151148466471014652233.6840.438318215145064020196464922011435071.50.7257502527539986202234272020245457.357.31224693153920161436072012243558545.5351.3282975163426652680132676064234627.7151.85464131204804513915372944706165093760302214586024020959765182070879066二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性表2-1利用三种计算方法得32二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动表2-2一维理论与耦合理论的误差值比较编号|(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、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动表2-233二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性短圆柱体的耦合振动34二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确设计图2-6轴对称单元体示意图基于附加能量法的相关理论，并通过查阅文献和相关公式的推导，可以得到考虑横向振动耦合作用后指数变幅杆纵振动共振频率的修正公式:(2-3)二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确35二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确设计为验证本文理论的精确度，作者设计了一组较大尺寸的指数变幅杆。图2-7指数变幅杆建模图形图2-8变幅杆振型二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确36二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确设计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不同尺寸指数变幅杆理论值与仿真值二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性大尺寸指数超声变幅杆的精确37二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性图2-9压电陶瓷圆片示意图根据有限尺寸压电圆片振子的耦合振动理论，通过文献查阅和相关公式的推导，可以得到：(2-4)(2-5)二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性38二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性为验证本文得出的有限尺寸压电陶瓷振子的耦合振动理论，设计了几个振子对其使用ANSYS软件进行验证分析。图2-10压电陶瓷圆环有限元模型图2-11压电陶瓷圆环径向振动模型二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性39二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性采用full法对压电圆环进行谐响应分析，阻尼系数设为经验值0.003,设置50阶子步，采用稀疏矩阵求解器求解。(×102)图2-12压电圆环的导纳随频率变化曲线Y二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性40二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性图2-13压电圆环导纳的实部G随频率变化曲线图2-14压电圆环导纳的虚部B随频率变化曲线(×102)(×102)二、大尺寸弹性超声振动体的振动特性有限尺寸压电体耦合振动特性41三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心超声换能器的频率方程

图3-1夹心式超声换能器的结构示意图三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心超声换能器的频42三、大尺寸夹心压电超声换能器振动特性大尺寸夹心超声换能器的频率方程

通过查阅相关文献和推导有关公式可以得到：(3-1)(3-2)(3-3)(3-1)式为耦合作用下夹心换能器盖板的径向频率方程(3-2)式为耦合作用下夹心换能器压电陶瓷圆片的径向频率方程(3-3)式为耦