PMNPT单晶Cymbal换能器的有限元分析.pdfVIP

第27卷第5期 声学技术 2008年10月 TechnlcalAcollsc瞄 PMN—PT单晶cymbaf换能器的有限元分析 吕可佳1一，邢建新2，高俊琴2，李俊宝z l十目#}RWR±％，n自，l㈣2÷目#}女自}目Rm，jCm-100l∞ crystal transducer AnalyzingofPMN-P1’singlecymbal f．miteelem∞tmethod by J瑚-xm2，0AO JuⅡ_ba02 Lo鼬1*2，x【NG Jll【l—q井，u cl G，8dua|euⅢ∞s2％cm∽￡Ac凸d‘脚耐scle眦5．8eulng，)0∞强chl帕．2 scl…．B。q“gj㈣9nckm) 信号噪声，提高器件的信噪比。利用这些优势性能， 1引言 可用于研制高教率发射和高灵敏接收水声换能器。 PMN—PT单晶材料是一种新型复合钙钛矿型晶 基于PMN-盯单晶优异的压电性能，尤其是压 体材料，具有高的压电与机电耦台系数(虹～ 电系数也-，结合dmbal结构．利用单晶薄圆片的 径向振动模式产牛的径向位移通过金属端帽转换 2(】()0p州，‰～94％)和大的应变量，已远远超出 目前使用的压电陶瓷材料，有单大大提高压电器件 井放大为纵向位移，获得更高的单晶换能器性能。 在医学超声成像、声纳、无损检测、固态大位移量 3cymb“换能器有限元分析 压电驱动器等的性能[_】。在水声领域，尤其适用于 研制宽频带、高效率、高灵敏度收发换能器。 3 1 PHN—PT单晶cy曲al换能器有限元分析(空气 oymbal换能器是一种用环氧树脂把金属平顶 中模型) 锥壳与压电元件粘结复合制成的类似于小型化的 由于cvmbal换能器是一个轴对称结构，可将 V型弯张换能器。通过金属平顶锥壳与压电元件的 三维模型简化为二维模型处理。采用四节点的二维 界面耦合作用改变其应力分布，即将压电元件的径 实体单元，考虑其对称性，在平面直角坐标系中建 向应力转变为金属平顶锥壳的轴向应力，使得枯z 立模型，其结构尺寸参数见图1所示。其中．压电 轴方向极化压电元件的压电常数d∞和d∞都对复合 单晶圆片与黄铜平顶锥壳用环氧树脂粘结。 结构的等效压电常数de起加和作用，使得cymbal 换能器的等效压电常数dc”比间尺寸的PzT陶瓷片 约高40倍[2_。本文用ANsYs软件仿真计算了PMN． 盯单晶咖bal换能器电声性能，与相同尺寸和结 构的PzF5A压电陶瓷cvmbal换能器进行比较分 析。 2 PMN．PT弛豫铁电单晶材料性能 在国内，上海硅酸盐研究所于1996年率先用 n91……o％Ⅲq…。 Bnd肿孤方法直接从熔体中生长出了大尺寸、高质 量的PMN胛单晶m。PMN．丌单晶的压电系数d、，对模型施加轴对称边界条件，进行模春分析， 和dn比压电胸瓷太5倍左右；压电横向和纵向机 得到其前三阶谐振额率分别为：183kHz，柏2k№， 电耦台系数也明显高于压电陶瓷，该优势可用于制 88