超声波振子与金属球壳耦合谐振性能分析与研究

发布时间：2020-11-06 14:38

　　 城市供水管网作为城市生命线的重要组成部分,发生泄露不仅会造成大量的经济损失,还会引发地面塌陷等一系列问题,危害人们的生命财产安全。因此对供水管网的泄漏进行检测和定位至关重要。漏失检测球因其使用方便,不会损坏管道等优点而被应用于供水管网检测。超声波作为漏失检测球的核心部分,对球在管道的跟踪定位及泄漏点的误差修订起到至关重要作用。本文从减小能量损失、提高有效机电耦合系数的角度出发,考虑压电陶瓷和球壳的材料、形状、尺寸和压电陶瓷与金属球壳间的接触状态等因素的影响,分析了压电陶瓷和球壳结构间振动特性和导纳特性的变化规律,研究了不同因素水平下压电陶瓷与金属球壳的耦合谐振特性规律,完成最优水平条件下结构设计和性能参数选择。本文研究内容如下:1、通过对压电材料的相关性能进行分析,研究压电陶瓷片特征参数,选取了PZT-4材料,分析了压电材料的压电方程,建立了压电性能参数及各向极化下的参数矩阵模型。应用压电理论和有限元分析相结合的方法,研究了复合压电振子机电耦合特性,建立了复合压电振子结构动力学特性分析模型。2.研究了弧形接触面复合压电振子和平面接触面复合压电振子结构动力学特性,分析了影响金属球壳和压电陶瓷耦合振动的相关因素,设计了正交试验,应用有限元方法分别对弧形接触面和平面接触面复合压电振子进行模态和谐响应进行分析。应用模态分析研究复合压电振子的模态振型和径向振动频率,应用谐响应分析研究了激励电压下的振幅特性和导纳特性规律。3.应用极值分析法和方差分析法对正交实验的相关指标进行分析,研究弧形接触面和平面接触面复合压电振子在各因素各水平的影响特性,完成复合压电振子的最优水平设计。最后通过弧形接触面和平面接触面性能指标对比分析,得出弧形接触面复合压电振子工作性能更好。4.应用有限元分析与实验结合的方法,完成弧形接触面和平面接触面复合压电振子的性能参数测量,对比分析得出了弧形接触面复合压电振子工作性能更好,与仿真分析结果一致。通过搭建实验平台研究耦合剂对粘贴后复合压电振子性能的影响,得出环氧树脂作为耦合剂时复合压电振子结构具有更好的性能。图[45]表[30]参[62]
【学位单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TU991.33
【部分图文】：

音听检测装置

安徽建筑大学硕士学位论文第一章绪论3集中的声波，便于检测和接收等特点[10][11]，因此超声波用于管道泄漏点的定位方面具有很大的优势。图1-2音听检测装置图1-3管道漏失检测球超声波振子作为能量转化的器件，其工作原理是应用压电陶瓷的压电效应实现电能和机械能即声波振动的相互转换[12][13]。超声波振子主要是应用压电晶体的逆压电效应实现电能到机械能的转化。压电陶瓷材料的质地硬且脆性高、弹性低，一般不把压电陶瓷单独作为压电陶瓷振子使用，而是与弹性金属结构连接在一起，组成复合压电陶瓷进行协同工作[14][15]。复合压电陶瓷振子由压电晶体片和金属弹性体或单独的压电晶体片构成，其结构形状灵活多变，如矩形、圆形和方形等[16]，可以根据需要对其形状进行设计，以方便与其他形状的金属结构进行耦合，并满足振动频率的要求。目前对复合压电振子的研究有很多，但大多是对规则形状的压电陶瓷和金属弹性体组成的复合压电振子进行研究，并没有关于异形压电陶瓷与金属球壳组成的复合压电振子的相关研究。因此，对于异形结构的压电陶瓷在与金属球壳耦合时，不了解两者之间的耦合谐振特性以及接触状态对两者谐振性能的影响。本文进行的研究旨在通过选择合适形状的压电陶瓷结构与金属球壳组成复合压电陶瓷振子进行耦合分析，研究其谐振特性和导纳特性规律，并分析各影响因素对其耦合谐振性能的影响。从而选择合适的结构参数，使其达到良好的工作状态，为超声波远距离传输提供理论基矗1.2国内外发展趋势从1880年JacquesCurieandPierreCurie发现晶体中的压电效应以来[17]，人们对压电陶瓷的相关特性进行了许多研究，使得压电材料有效地应用于振动控制、噪声抑制、精密对准控制、能量采集、传感和损伤检测等方面[15]。而对弹

安徽建筑大学硕士学位论文第二章基于压电特性参数理论分析研究9生机械振动和变形，受到机械变形时产生电常对压电陶瓷的应用主要是通过正压电效应和逆压电效应来实现的。（1）正压电效应当某些电介质受到某一个固定方向作用下的外力时，会导致结构产生变形，并引起结构内部发生极化，从而在结构的两个相对表面上出现正电荷和负电荷；如果去除外力，电介质将返回原始不带电的状态；当外力的方向和原来相比为反向时，两个相对表面的正电荷和负电荷的极性也会改变。由于外力的变化使得电介质内部产生电极化的现象称为正压电效应。其示意图如图2-1所示。其中压电式传感器多是应用正压电效应来实现。施加拉力正常状态施加压力图2-1正压电效应（2）逆压电效应当在电介质上施加交变电场时，会导致电介质晶体形状改变，从而产生应力和应变；当把电场拿掉后，电介质又会恢复到变形前的状态，这种因电场的作用而引起的机械变形的现象称为逆压电效应。该效应的示意图如图2-2所示。本文应用压电陶瓷发射超声波就是利用逆压电效应来完成的。正常状态施加电场图2-2逆压电效应
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈熹;薛春霞;;电压激励下四边简支压电层合板的振动分析[J];材料科学与工程学报;2015年05期

2 于栋;杜斌;严有琪;;基于ANSYS的压电陶瓷振子横向效应分析[J];科技资讯;2015年22期

3 张君善;;用ANSYS分析PZT压电方片振动的模态特性[J];宁夏师范学院学报;2015年03期

4 彭飞;王丹;;超声波振子辅助固定装置设计[J];机械设计与制造工程;2015年06期

5 徐洁;田华;林书玉;;矩形压电陶瓷振子的耦合振动[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2015年02期

6 林书玉;王帅军;付志强;胡静;王成会;莫润阳;;径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动[J];声学学报;2013年03期

7 贺红林;武冬梅;何文丛;刘文光;;H-结构薄板纵弯复合模态驱动的压电直线电机[J];振动与冲击;2013年05期

8 曲绍鹏;李东明;;压电双晶片谐响应有限元模拟分析[J];大连交通大学学报;2012年04期

9 向阳;王丽坤;;压电陶瓷圆环径向厚度振动分析[J];压电与声光;2012年04期

10 田华;付志强;;夹心式压电陶瓷超声换能器厚度振动特性[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2012年04期

相关博士学位论文 前1条

1 龚双;层合压电结构的瞬态响应和波动特性分析[D];湖南大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 孙杨波;高速压力机优化设计与动态性能研究[D];大连理工大学;2019年

2 常维宁;基于非恒定摩阻的输水管道泄漏检测数值模拟及试验研究[D];西安理工大学;2018年

3 吴雷;城市供水管网泄漏定位技术研究[D];吉林大学;2018年

4 王轩;耦合剂对超声波传播特性影响的研究[D];西安理工大学;2017年

5 常子原;夹心式纵向压电换能器的结构设计和声学特性分析[D];哈尔滨工业大学;2017年

6 褚选选;基于噪声的长距离输水管道渗漏监测研究[D];郑州大学;2017年

7 李兆胜;基于纵弯复合模态球型超声电机的研究[D];山东理工大学;2017年

8 李平;超声波在钢板与防腐层中的传播特性研究[D];沈阳工业大学;2016年

9 黄靖;压电驱动微悬臂梁与底座粗糙面间的接触分析[D];福州大学;2015年

10 桂凤利;模式转换型径扭复合振动压电超声换能器研究[D];浙江师范大学;2015年

本文编号：2873271