压电换能器动态性能仿真研究

发布时间：2017-04-13 13:17

  本文关键词：压电换能器动态性能仿真研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：气体超声波流量计的计量精度高、量程比大、性能可靠稳定、管道中无压力损失,因而具有传统流量计不可比拟的优点,应用前景广泛,越来越多的应用于天然气流量计量领域。针对国内天然气管网中下游段的城市特别设计的50mm口径的气体超声波流量计,除了要具有优良的性能,还要有较好的经济性。但是,气体超声波流量计行业基本被国外企业垄断,并且随着国内对气体超声波流量计需求量的急剧增大,我们有必要开发具有自主知识产权的气体超声波流量计。超声波换能器是气体流量计中非常重要的声电转换器件,其性能参数直接影响计量仪表的整体性能。用于天然气计量的经济型气体超声波流量计对其压电换能器提出了自己的设计要求,因此,本课题旨在研究适用于经济型气体流量计量的压电超声波换能器。本文首先根据换能器的设计理论,并结合换能器的工作需求,对压电陶瓷元件进行选材,并确定其振动模式及尺寸参数。根据超声波在匹配层介质中的传递和透射情况,得到了理想声学匹配情况下的匹配层声阻抗值和厚度。然后,为了研究现有匹配层材料、直径、厚度以及背衬厚度变化对换能器的瞬态响应特性的影响状况,指导换能器匹配层和背衬的设计,本文利用ANSYS仿真中的压-电耦合分析、流-固耦合分析模块,建立了对射换能器的仿真模型,分析了换能器的瞬态声场特性、电压响应等,直观的反映换能器在时域上的工作状况。此外还分析了在不同气体温度或压强下,换能器接收响应特性的变化规律。在换能器的设计理论和仿真分析的基础上,对换能器的匹配层、背衬材料及其尺寸参数进行了设计,使得换能器具有较高的接收灵敏度。针对换能器的高可靠性要求,还设计了换能器的强度和保护结构,包括匹配层的金属保护薄膜、换能器的耐压和密封结构,提高了换能器的工作可靠性。对封装完成的换能器样机进行性能测试。换能器灵敏度和信噪比能够达到使用要求,导纳曲线表征了换能器的频率特性,性能一致性是换能器配对和使用时的必要保证。最后,通过换能器的温度、压力特性实验,测试了换能器在不同温度或压强下的灵敏度和频率特性,与仿真结果进行对比,明确了温度、压强对换能器性能的影响。最后,论文对本课题的研究工作内容进行了总结和展望。
【关键词】：压电换能器 ANSYS仿真 瞬态特性 结构设计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH814
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 超声波流量计11-13
• 1.1.1 超声波流量计的特点11-12
• 1.1.2 气体超声波流量计12-13
• 1.2 超声波换能器13-18
• 1.2.1 超声波换能器概述13-14
• 1.2.2 超声波换能器的性能参数14-17
• 1.2.3 气体压电超声波换能器17-18
• 1.3 经济型气体超声波流量计对压电换能器的要求18-20
• 1.4 课题研究目的和内容20-22
• 1.4.1 研究目的和意义20
• 1.4.2 研究内容20-22
• 2 气体压电超声波换能器理论22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 超声理论22-27
• 2.2.1 超声波基本物理量22-24
• 2.2.2 超声波在介质平面层中的传递24-27
• 2.3 压电超声波换能器的设计理论27-35
• 2.3.1 压电陶瓷28-32
• 2.3.2 匹配层32-34
• 2.3.3 背衬34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 3 基于ANSYS的气体压电超声换能器的瞬态特性研究36-70
• 3.1 引言36
• 3.2 ANSYS用于换能器分析及其理论基础36-37
• 3.2.1 ANSYS在换能器分析中的应用36-37
• 3.2.2 有限元方法的数理基础37
• 3.2.3 瞬态动力学分析的有限元方程37
• 3.3 瞬态分析模型的建立37-43
• 3.3.1 几何模型37-39
• 3.3.2 有限元模型39-41
• 3.3.3 求解分析41-42
• 3.3.4 瞬态特性分析的步骤42-43
• 3.4 匹配层对换能器瞬态特性的影响研究43-59
• 3.4.1 匹配层材料1的瞬态特性研究43-55
• 3.4.2 匹配层材料2的瞬态特性研究55-56
• 3.4.3 不一致匹配层厚度的瞬态特性研究56-59
• 3.5 背衬对换能器瞬态特性的影响研究59-62
• 3.6 不同气体温度、压强下的换能器特性研究62-68
• 3.6.1 不同温度、压强下的空气密度与声速62-66
• 3.6.2 不同压强下的换能器特性研究66-67
• 3.6.3 不同温度下的换能器特性研究67-68
• 3.7 本章小结68-70
• 4 气体压电超声波换能器样机的设计与测试70-88
• 4.1 引言70
• 4.2 换能器的基本结构参数设计70-72
• 4.2.1 压电陶瓷70
• 4.2.2 匹配层70-72
• 4.2.3 背衬72
• 4.3 换能器的可靠性结构设计72-75
• 4.4 换能器的性能参数测试75-82
• 4.4.1 灵敏度测量75-76
• 4.4.2 导纳特性测试76-78
• 4.4.3 信噪比测试78-79
• 4.4.4 性能一致性79-82
• 4.5 不同温度、压强下的换能器特性测试82-87
• 4.5.1 压强特性实验82-84
• 4.5.2 温度特性实验84-87
• 4.6 本章小结87-88
• 5 总结与展望88-90
• 5.1 论文总结88-89
• 5.2 论文展望89-90
• 参考文献90-93

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 袁伟良,梁昌洪;理想匹配层的性能分析与改进[J];微波学报;1999年04期

2 唐义政,俞宏沛,温宁,李建成;换能器辐射阻抗变化对匹配层参数的影响[J];应用声学;2002年06期

3 刘望生;俞宏沛;周利生;;双激励加匹配层宽带水声换能器研究[J];声学技术;2008年02期

4 Breimesser ,杜继新;双匹配层宽带超声换能器[J];声学与电子工程;1990年01期

5 李s

本文编号：303693