数字制造科学与技术前沿研究丛书：压电换能器设计原理 [Design Principle for Piezoelectric Transducer] 下载 mobi epub pdf 电子书 2024

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内容简介

　　《数字制造科学与技术前沿研究丛书：压电换能器设计原理》在介绍压电材料与压电方程等基本知识的基础上，以声呐阵元、钹式换能器的结构分析与设计为典型案例，论述了压电换能器振动等效机电模型与有限元模型的建立与分析方法，并介绍了压电超声马达、压电变压器、振动能量收集器等压电换能器设计原理。
　　《数字制造科学与技术前沿研究丛书：压电换能器设计原理》可供从事机械动力学、力学与控制、微机电系统、声呐等领域的工程设计人员、相关领域科研院所的科研人员与大专院校的高年级学生、研究生参考阅读。

内页插图

目录

1 压电材料与压电效应
1．1 压电材料
1．1．1 压电单晶材料
1．1．2 压电陶瓷
1．1．3 压电高分子聚合物
1．1．4 弛豫型铁电材料
1．1．5 压电复合材料
1．2 压电材料的重要参数
1．2．1 机电耦合系数
1．2．2 介质损耗因子和电学品质因数
1．2．3 机械损耗因子和机械品质因数
1．2．4 频率常数
1．2．5 老化
1．2．6 温度稳定性和居里点
1．2．7 电退极化
1．2．8 额定动态抗张强度
1．2．9 高静态应力对材料性能的影响
1．3 压电方程
1．3．1 压电方程的推导
1．3．2 电弹常数的物理意义
1．3．3 压电晶体常数之间的关系
1．3．4 压电振子的四类边界条件
1．3．5 各种压电晶体的常数矩阵
1．3．6 压电陶瓷的机电耦合系数与品质因数讨论
1．4 压电振子的振动模式
参考文献

2 压电陶瓷典型振动模式的等效电路
2．1 机电类比
2．1．1 机械系统和电路的元件
2．1．2 单自由度机械系统和单电回路的运动方程式
2．1．3 振动稳态解各量之间关系的类比
2．2 典型的机电等效模型
2．2．1 压电陶瓷薄圆环的径向对称模式
2．2．2 电场垂直于长度方向的长度伸缩模式
2．2．3 电场平行于波传播方向的厚度剪切模式
2．2．4 电场平行于波传播方向的厚度伸缩模式
2．2．5 电场平行于长度方向的长度伸缩模式
2．2．6 薄圆片的径向振动模式
参考文献

3 Tonpilz压电换能器机电等效模型
3．1 级联理论
3．2 p个晶片级联组合系统的机电等效图
3．3 前后盖板的机电等效图
3．4 Tonpilz压电换能器的机电等效图
3．5 频率方程
参考文献

4 弯张压电换能器的结构设计与发展
4．1 弯张换能器的结构发展
4．2 钹式换能器的发展与制作工艺
4．2．1 钹式换能器的研究现状与发展
4．2．2 钹式换能器的制作工艺
4．3 弯张换能器的典型应用
4．4 弯张换能器的设计与分析方法
参考文献

5 钹式换能器的有限元分析
5．1 ANSYS软件分析方法及过程
5．1．1 基本理论
5．1．2 物理实体模型
5．1．3 有限元离散模型
5．1．4 设定问题类型并求解
5．1．5 提取结果数据，获得特性参数
5．2 钹式换能器基本电声性能分析
5．2．1 共振频率
5．2．2 振动模态
5．2．3 电导纳特性
5．2．4 发射响应和接收灵敏度
5．2．5 指向性
5．3 材料参数对换能器性能的影响规律
5．3．1 压电材料对性能的影响
5．3．2 金属材料对性能的影响
5．4 加电方式对换能器性能的影响
5．5 结构参数对性能的影响规律
5．5．1 总体尺寸对性能的影响
5．5．2 径向尺寸对性能的影响
5．5．3 PZT厚度对性能的影响
5．5．4 黄铜片厚度对性能的影响
5．5．5 空腔厚度对性能的影响
参考文献

6 欧米伽型弯张压电换能器
6．1 欧米伽换能器的结构与能量表达式
6．1．1 欧米伽换能器的结构
6．1．2 圆锥薄壳的能量表达式
6．1．3 金属圆环、顶部金属圆片及陶瓷圆片的能量表达式
6．2 欧米伽换能器谐振频率的Rayleigh-Ritz解法
6．2．1 位移振型函数
6．2．2 几何边界条件
6．2．3 谐振频率和位移振型函数待定系数的求解
6．3 理论推广与实验对比
6．4 欧米伽换能器的有限元分析
6．4．1 空腔顶部半径对性能的影响
6．4．2 空腔高度对性能的影响
6．4．3 空腔底部半径对性能的影响
6．4．4 陶瓷片厚度对性能的影响
6．4．5 金属端帽厚度对性能的影响
6．5 与钹式换能器的对比
6．5．1 有限元模型
6．5．2 导纳特性对比
6．5．3 发射与接收响应对比
参考文献

7 压电超声马达
7．1 工作原理、分类和特点
7．1．1 驻波的形成
7．1．2 行波的形成
7．1．3 压电马达的性能特点
7．2 几种典型的压电马达
7．2．1 直线型行波压电马达
7．2．2 环形行波压电马达
7．2．3 多模态复合驻波型压电马达
7．3 压电马达的其他应用
7．3．1 精密机械
7．3．2 微机电系统
7．3．3 航空航天
7．4 压电马达的研究方向
7．4．1 基础理论与建模
7．4．2 功能材料
7．4．3 驱动与控制技术
参考文献

8 压电变压器
8．1 压电变压器的应用与发展
8．2 压电变压器工作原理
8．3 压电变压器的分类
8．3．1 厚度振动模式压电变压器
8．3．2 径向振动模式压电变压器
8．3．3 剪切振动模式压电变压器
8．4 等效电路及机电特性
参考文献

9 压电能量收集器
9．1 基于机电转换的能量收集技术
9．2 压电俘能结构的构成
9．2．1 压电材料
9．2．2 压电振子振动模式
9．2．3 其他结构形式
9．3 能量收集和存储电路
9．3．1 能量收集接口电路
9．3．2 能量收集存储技术
9．4 压电悬臂梁发电结构的理论模型
9．4．1 压电单晶片（Unimorph）悬臂梁结构动力学模型
9．4．2 压电双晶片（Bimorph）悬臂梁结构动力学模型
9．4．3 压电单晶片悬臂梁的数值分析
参考文献

前言/序言

　　压电换能器是利用材料的压电效应工作的一切装置，该称谓沿用了声呐中的水声装置所用的术语。自发现压电效应以来，其第一个应用领域就是探测水下目标。在第二次世界大战中，潜艇因其隐蔽性而成海战利器，探测水下目标就成为迫切需要解决的军事问题。声场是水下最重要的、可用的物理场。主动发射声波，并通过水下目标的反射声波判断是否存在水下目标的军事需求，迫切需要压电材料。天然的石英成为首选材料，将交变电流施加在其上，产生交变位移驱动海水，在水介质中形成周期变化的微幅压力场，即声波。从现代声呐技术的角度来看，这种最原始的“主动声呐”仅仅是一种完成电能与压力转换的单个压电换能器，产生的声波不具备指向性；为了增加空间增益，需要将多个压电换能器以某种形式组成阵列，成为水声基阵，如直线排列为线列阵，按照一定安装形状排列为共性阵，最简单的情形就是两个压电换能器组成的偶极子，它是分析基阵性能的基础。所以在声呐领域，由多个压电换能器组成的水声基阵称为换能器基阵，则相应地将单个压电换能器称为换能器阵元，有时候为了简便起见干脆将两者都简称为换能器。现代声呐进一步通过信号处理技术提高了时间增益，如此一来，使得换能器基阵仅仅是声呐中的一部分，是声呐的最基本的前端部分，是完成感应的水声装置，这也是压电换能器概念中一种狭义的内涵。为了增加隐蔽性，当今大部分声呐只是通过检测目标产生的噪声来判别目标，即被动检测目标而不主张主动探测目标。无论如何演变，压电换能器的设计至今仍是声呐设计中最重要且最基本的研究内容。
　　沿用声呐中换能器术语表示广义的压电装置，是压电换能器概念的另一个内涵。随着压电效应的深入研究，为取代昂贵的天然石英，各种压电材料被陆续开发出来，这进一步促进了压电技术的应用。众所周知的B超就是一个典型，其物理与数学本质与声呐是完全相同的。除此之外，用于微量控制的压电驱动器，用于测量的压电传感器如加速度计，用于缩小装备体积的压电变压器、压电扬声器，以及现代开发的、本质上也是用于控制的发动机压电喷嘴、压电喷墨打印，正在开发的厘米级尺度的微型压电马达，微能量供电的环境振动能量收集器等，都采用了材料的压电能量转换方式，故我们将其统称为压电换能器。可以看出，除了需要高功率驱动的声呐换能器阵元或换能器基阵体积较大之外，几乎所有的压电换能器都具备体积微小的特征，尤其重要的是，由于在压电材料中，能量转换是在机械运动能量与电能之间进行的，所以所有压电换能器都是以机电耦合的方式进行工作的，因而除了狭义上的声呐压电换能器，广义上的压电换能器都属于微机电系统（MEMS）中的一族，B超自然也在其中。
　　由于压电换能器如此重要，且具有技术应用和技术发展空间，所以数字制造丛书将压电换能器设计原理列入出版计划。简而言之，原因有二：其一是压电换能器代表了一类MEMS装置，在先进的数字制造技术中，压电换能器可以作为一类精密测量与精密控制的工具，数字机床的精密控制就是一个例子；其二是压电换能器作为一类MEMS的产品，其发展与先进制造技术有着千丝万缕的联系。微型压电马达、相机的聚焦控制器、结构表面形状的压电控制器、弹药的引信，以及压电声表面器件等，这些均是未来可占据市场的创新性压电产品。除了压电材料的配方与精细加工之外，集成后的产品也离不开先进的制造技术。可以预见，随着压电换能器技术的开发与运用，它与先进的数字制造技术必定会产生密切的关系。
　　压电技术既有成熟的产品，也有开发的潜力，其产品设计的共同基础是压电材料的性能与等效的压电动力学分析。迄今为止，陆续出版了不少压电传感器设计的书籍，研究期刊上也发表了诸多的研究文献。作者之所以从事该类研究并撰写设计原理一书，是考虑到正在发展的现代分析计算技术，可以为包括声呐在内的压电换能器设计提供比较精确的开发设计工具；压电换能器设计的共同目标是提高压电效应指标，目前不仅压电材料的种类丰富且性能在提高，压电换能器的结构也在变化，利用换能器结构设计进一步提高本该属于压电材料特性的压电效应，将给分析设计带来新的特点。在有限的篇幅内论述所有的压电换能器设计问题是没必要也不可能的，本书成书过程中，有倾向性地选择并论述了作者认为重要的、有代表性的换能器的设计原理。
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