Page 91 - 《应用声学》2021年第6期

第 40 卷 第 6 期 许龙等： 阶梯圆环压电超声换能器径向振动性能的理论研究 887

3 结论 参 考 文 献

本文设计了一种由压电陶瓷圆环和阶梯型金
[1] Hatanaka Y, Nakaoka M, Maruhashi T. Reverse-
属薄圆环复合而成的阶梯环形压电超声换能器。根 conducting thyristor type series-resonance inverter for
据力电类比原理建立阶梯型金属薄圆环径向振动 driving high-power ultrasonic transducer system and its
steady-state performance analysis[J]. The Transactions of
的等效电路，推导了其共振频率方程和位移放大系
the Institute of Electrical Engineers of Japan. B, 1979,
数；在此基础上建立了阶梯圆环压电超声换能器的 99(4): 221–228.
径向振动等效电路，推导其共振和反共振频率方程， [2] 杨涛, 文忠, 谌青青, 等. 径向振动压电变压器的研究进展 [J].
电子元件与材料, 2011, 30(3): 71–74.
分析了其径向振动性能。结合理论推导和仿真模拟
Yang Tao, Wen Zhong, Chen Qingqing, et al. Research
的结果，探讨了径向尺寸对阶梯圆环压电超声换能 progress of the radial mode piezoelectric transformer[J].
器的径向振动的影响特性，结论如下： Electronic Components & Materials, 2011, 30(3): 71–74.
[3] 林书玉, 鲜小军. 功率超声换能振动系统的优化设计及其研
(1) 随着阶梯圆环内环径向厚度增大，外环径
究进展 [J]. 陕西师范大学学报 (自然科学版), 2014, 42(6):
向厚度减小，它的一阶径向共振频率逐渐减小，二 31–39.
阶径向共振频率逐渐增大，且二阶径向共振频率 Lin Shuyu, Xian Xiaojun. Progress and optimization de-
变化明显；阶梯圆环在一阶共振模式下环内径向 sign of high power piezoelectric ceramic ultrasonic vibrat-
ing system[J]. Journal of Shaanxi Normal University (Nat-
位移振幅大于环外径向位移振幅，即阶梯圆环无 ural Science Edition), 2014, 42(6): 31–39.
法实现由内向外的位移振幅放大；当内、外环径向 [4] Lin S, Wang S. Radially composite piezoelectric ceramic
厚度之比在 0.250 < K 1 < 3.167 范围内，阶梯圆环 tubular transducer in radial vibration[J]. IEEE Transac-
tions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Con-
在二阶共振模式下能够实现由内向外的位移振幅 trol, 2011, 58(11): 2492–2498.
放大。 [5] 王帅军. 新型径向复合压电超声换能器的研究 [D]. 西安: 陕
(2) 随着阶梯圆环内环轴向厚度增大，外环轴 西师范大学, 2011.
[6] 林书玉, 曹辉. 一种新型的径向振动高频压电陶瓷复合超声换
向厚度减小，它的一阶径向共振频率逐渐增大，二 能器 [J]. 电子学报, 2008, 36(5): 1004–1008.
阶径向共振频率逐渐减小；阶梯圆环在一阶共振模 Lin Shuyu, Cao Hui. A new type of piezoelectric compos-
式下环内径向位移振幅大于环外径向位移振幅，即 ite transducers with high frequency in radial vibration[J].
Acta Electronica Sinica, 2008, 36(5): 1004–1008.
阶梯圆环无法实现由内向外的位移振幅放大；当内、
[7] Lin S, Fu Z, Zhang X, et al. Radially sandwiched cylindri-
外环轴向厚度之比在 K 2 > 2.25 范围内，阶梯圆环 cal piezoelectric transducer[J]. Smart Materials and Struc-
在二阶共振模式下能够实现由内向外的位移振幅 tures, 2013, 22(1): 015005.
[8] Lin S. Study on the radial composite piezoelectric ceramic
放大。
transducer in radial vibration[J]. Ultrasonics, 2007, 46(1):
(3) 阶梯圆环压电超声换能器在二阶径向共振 51–59.
模态下存在位移节圆，有利于在工程应用中与外部 [9] 林书玉. 一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动
特性研究 [J]. 陕西师范大学学报 (自然科学版), 2007, 35(1):
设备在节圆位置连接。
34–39.
(4) 阶梯圆环压电超声换能器中压电陶瓷薄圆 Lin Shuyu. Study on the radial vibration of a new type
环的内半径增大，换能器的一阶径向共振和反共振 of radial composite piezoelectric ceramic ultrasonic trans-
频率逐渐减小，二阶径向共振和反共振频率逐渐减 ducers[J]. Journal of Shaanxi Normal University (Natural
Science Edition), 2007, 35(1): 34–39.
小并趋于接近，此时换能器的带宽将变窄，有效机电 [10] Yao C, Zhang C, Zhang J, et al. Radial vibration char-
转换系数趋于零；阶梯圆环内环外半径增大，换能器 acteristics of piezoelectric ceramic composite ultrasonic
一阶径向共振和反共振频率逐渐减小，二阶径向共 transducer[J]. Shock and Vibration, 2020(5): 1–13.
[11] Li G, Gong J, Wang T, et al. Study on the broadband
振和反共振频率先增大后减小。
piezoelectric ceramic transducer based on radial enhanced
本文所得结果对于完善径向超声换能器的设 composite structure[J]. Ceramics International, 2018, 44:
计理论和此类换能器的工程应用有一定的参考价 S250–S253.
[12] 林书玉, 桑永杰. 阶梯型径向振动环形变幅器的振动特性 [J].
值，有望通过换能器的径向振动实现连续超声滚动
声学技术, 2007, 26(4): 756–760.
切割和焊接的应用。 Lin Shuyu, Sang Yongjie. Radial vibration of step-type