复合管功率超声压电换能器的径向振动特性

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1、第44卷第10期机械工程学报Vo1．44No．102008年10』JCHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERINGOct．2008Dol：10．3901／JME．2008．1O．239复合管功率超声压电换能器的径向振动特性木刘世清姚晔f1．浙江师范大学数理与信息工程学院金华321004：2．上海交通大学机械与动力工程学院上海200240)摘要：在纵向复合压电超声换能器基础上，提出并研究带预应力外壳的径向复合管压电超声换能器的向振动特性。换能器由径向极化薄壁压电陶瓷圆管与预应力金属圆管外壳径向复合而成。依据机电类比原理，建立

2、起复合系统的径向振动等效电路，并给出其径向振动振频率方程。结合数值计算例．探讨换能器的共振和反振频率以及有效机电耦合系数与预应力圆管半径比之间的关系。设计制作4个向复合管乐电超声换能器样品，通过试验测量换能器径向振动共振和反共振频率。结果表明，换能器径向共振频率的理论值与测量结果符合较好，误差小于5％。关键词：管形压电超声换能器径向振动频率方程共振频率反共振频率中图分类号：0426．1RadialVibrationCharacteristicsofCompositePipePowerPiezoelectricUltrasonicTransducerL

3、IUShiqinglYAOYe2(1．CollegeofMathematics，Physics&InformationEngineering，ZhejiangNormalUniversity，Jinhua321004；2．SchoolofMechanicalEngineering，ShanghaiJiaotongUniversitY,Shanghai200240)Abstract：Basedonthelongitudinalcompositepiezoelectricultrasonictransducer,theradialvibrationcha

4、racteristicsofcompositepipepowerultrasonictransducerwithpre—stressedmetalpipeshellarestudied．Theradialcompositepipeultrasonictransducerconsistsofashortpiezoelectricceramicpipeandashortmetalpre—stressedpipeshel1．Basedontheelectromechanicalanalogy,theequivalentcircuitoftheradialc

5、ompositetransducerissetupandtheresonancefrequencyequationisderived．Therelationshipsamongtheresonancefrequency，theanti—resonancefrequency，theefectiveelectromechanicalcouplingcoeficientandtheradiusratioofpre—stressedpipeareanalyzedanddiscussed．Bytestingtheresonanceandanti—resonan

6、cefrequenciesoffoursamplesofradialcompositepipepiezoelectricultrasonictransducer,itisshownthatthetheoreticalresonancefrequenciesagreewellwiththemeasuredresultsandthee~orsarelessthan5％．Keywords：PipepiezoelectricultrasonictransducerRadialvibrationFrequencyequationResonancefrequen

7、cyAntiresonancefrequency等特点，在水声、石、浦开采以及海洋探测等领域应0前言用很广。目前，管状结构的径向振动换能器主要有增压式l6】及镶拼式圆管换能器【71。这类换能器是将复合型超声换能器在机械加工、超声清洗以及若干相同尺寸的压电圆盘或切向极化压电弧形长条超声波电动机等功率超声领域应用极为广泛【Jl。针单元镶嵌并粘接在薄壁金属圆管内，结构上未对压对不同的工程应用领域，应设计不同结构和振动模电陶瓷施加足够大径向预应力，一般只能工作于小式的换能器，如纵向、扭转、弯曲及其复合振动模功率的接收或发射状态，换能器的机电转换效率较式换能器

8、等J。径向振动压电超声换能器具有声辐低。随着功率超声技术的发展，大功率径向振动复射面积大、辐射效率高以及周向