夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计.docx

夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计林书玉( 陕西师范大学应用声学研究所, 西安 710062)摘 夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计 林书玉 ( 陕西师范大学应用声学研究所, 西安 710062) 摘要: 文中为换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施, 并对功率超声夹心式压电陶瓷换 能器工程设计中的一些重要问题( 即换能器各部分的功能及选择, 压电陶瓷元件的位置优化, 接触界面对换能器性能 的影响与预应力的选择及影响等) 进行了简要的分析。结论表明, 文中所述对于优化设计、改善并提高性能具有参考 和使用价值。 关键词: 夹心式换能器; 预应力; 功率容量; 电声效率; 位移节点 中图分类号: TB552 文献标识码: A 文章编号: 1000-3630( 2006) -02-0160-05 Design of sa ndwich piezoelect r ic cer a m ic ult r a sonic t r a nsducer LIN Shu-yu ( Institute of Applied Acoustics, Shaanxi Normal University, Xian 710062, China) Abstr act : The objective is to give some useful instructions to designers of sandwich piezoelectric ceramic transducers. Some important problems concerning the design of sandwich piezoelectric ceramic ultrasonic transducers are analyzed and reviewed. The issues discussed include functional description and choice of transducer components, optimization of the position of piezoelectric ceramic elements, effects of contacting interfaces on the performances, and choice and effect of pre-stress of bolt in the transducer. Key wor ds: sandwich transducer; pre-stress; power capacity; electro-acoustical efficiency; displacement node 变频率的目的。( 3) 由于使用了金属前后盖板, 换能 器的导热性能得到很大的改善。只要金属材料与压 电陶瓷材料的厚度以及横向尺寸选择得当, 压电陶 瓷材料弹性常数的温度系数可以由金属材料弹性的 概 述 1 夹心式功率超声压电陶瓷换能器主要由压电 陶瓷片、前后金属盖板、预应力螺栓、金属电极片以 及预应力螺栓绝缘套管等组成, 如图 1 所示。此类 换能器主要分为高、低强度两类。其主要特点包括: ( 1) 既利用了压电陶瓷振子的纵向效应, 又得到了 较低的共振频率。( 2) 通过采用前后金属块以及预 应力螺栓给压电陶瓷圆片施加预应力, 使压电陶瓷 圆片在强烈的振动时始终处于压缩状态, 从而可以 避免压电陶瓷片的破裂, 达到了提高功率容量及改 温度系数加以补偿, 因此夹心式压电陶瓷换能器的 频率温度系数可以做得很小, 其温度的稳定性也较 好。( 4) 在夹心式压电陶瓷换能器中, 通过改变压电 陶瓷材料的厚度、形状及前后金属盖板的几何尺寸 和形状, 可以对换能器进行优化设计, 便于获得不同 的工作频率和其他一些性能参数, 作环境和应用场合。 以适应不同的工 对于夹心式压电陶瓷功率超声换能器的理论计 算和工程设计, 工程师们进行了大量工作, 提出了许 多设计理论及研制工艺[ 1-5] 。本文将对影响换能器性 收稿日期: 2005-10-28; 修回日期: 2005-12-12 作者简介: 林书玉( 1963-) , 男, 山东省莱州市人, 教授, 博士生导师, 主 电极片( b) 高强度 High intensity第 电极片 ( b) 高强度 High intensity 第 2 期 林书玉等: 夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计 161 图 1 夹心式压电陶瓷换能器的基本结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of a sandwich piezoelectric tr