夹心式压电换能器外形结构对其振动性能的影响

夹心式压电换能器外形结构对其振动性能的影响

徐兵李阿杰李喜峰张建华（通讯作者）

(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)

:工程实际当中，换能器理论设计往往忽略由于工况和装配原因对换能器外形结构所进行的改变，这些变化不仅增加了设计难度，而且 对换能器的频率、振幅、应力等振动特性造成影响。通过ANSYS有限元分析研究了装配凹槽和工艺倒角对换能器振动特性的影响规律，并实 际加工验证，结果显示实际测试值和仿真細吻合，验证了 ANSYS有限元分析的正确性，为工程实际当中换能器的理论设计和研究提供了参 考价值。关键词:压电换能器;超声振动;有限元;模态分析中图分类号:TG156 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460. 4099DOI：10.15988/j. cnki. 1004 -6941.2018.08.013

摘要

Effects of the Shape of Sandwich Piezoelectric Transducer

on Its Vibration Performance

Xu Bing Li Ajie Li Xifeng Zhang Jianhua

Abstract： In practical engineering，the theoretical design of the transducer often ignores changes in the shape of

the transducer due to operating conditions and assembly. These changes not only increase difficulty of the design， but also affect the frequency, amplitude, and stress of transducer. The ANSYS finite element analysis was used to study the effect of assembly groove and process chamfering on the vibration characteristics of the transducer, and the actual processing was verified，the results show that the actual test value and the simulation value are consistent， verifying the validity of the ANSYS finite element analysis and providing reference value for the theoretical design and research of the transducer in engineering.

Keywords：piezoelectric transducer；ultrasonic vibration；finite element;modal analys

0 前言

超声换能器是超声振动系统的重要组成部件， 能将电能转化为声能或将外来声能转化为电能的能 量转换装置，广泛运用于工业、农业、国防、生物医 药、科学研究等方面。换能器的广泛运用主要取决 于其自身振动性能，林书玉等研究了几何尺寸与新 型Cymbal换能器振动性能之间的联系;童志强等研 究了螺栓材料对换能器振动特性的影响；贺西平研 究了喇叭头前盖板几何尺寸对换能器纵弯振动的影 响。而在实际的生产加工和装配过程中，为便于装 配，提高换能器的声能传递效率和工作稳定性，有时 需要在前后盖板分别开设装配凹槽和工艺倒角；理 论设计时，对模型进行简单化处理，会造成参数的理

收稿日期：018 -06-12

论计算值和实际测量值存在较大的误差。考虑到理

论计算的复杂性，采用ANSYS仿難件对换能器前 盖板开设装配凹槽和后盖板开设工艺倒角分别进行 有限元分析，研究凹槽宽度及倒角底边长度对换能 器频率、振幅、应力等振动性能参数的影响规律，为 工程实际当中换能器的理论设计和生产加工提供了 重要的参考价值。

1

换能器设计

根据在简谐振动的情况下，变截面杆做纵向振 动，通过换能器设计理论，设计出频率20KHz的纵 向振动换能器，换能器的简单剖面模型如图1所示。图中W4和以和分别表示换能器的后盖 板、前盖板和压电片的厚度。为了计算简便，取换能

46器振动位移节点位于压电片的中间位置，即的

交界处，则：

务2乙=务3乙

(1 )

设定乙=乙则圆波数&2 =

= w/c其中泌=

2n/，c一声速在压电片中的传播速度；c =槡1 /sf3

P

(3-弹性柔顺常数；一压电片的密度）节点前后 两部分纵向振动的频率方程分别为：

后盖板

压电片

前盖板

图1压电换能器简化模型剖面图

tan(A111 )tan(A:212 ) = —2

(2)

式中^ 4及—1〜—4一换能器对应部分圆波数 和机械阻抗，其中々1 =W/C1,4 =W/C4。在上述换能器 模型中，各咅盼圆截麵同，因此—1 =P1qS，—2 =—3 =

pcS,—4 = p4C4S。C1

一后盖板中声速;C1 =槡?1 /P1其中

瓦1 一后盖板材料的杨氏模量;P1 -后盖板材料密度；

C4一前盖板中声速;C4 =槡4/P4其中五4一前盖板材

料的杨氏模量；4 一前盖板材料密度。

通过上式，预先设定夹心式压电换能器的工作 频率/为20KHZ，计算出换能器各部件的尺寸，并通 过ANSYS仿真优化得到实际生产中复杂结构换能 器模型如图2所示，优化几何尺寸参数如表1所示。

预紧螺母工艺倒角后盖板压电陶瓷装配凹槽前盖板

图2换能器断面剖视图

《针量与测试技术》2018年第45卷第8期

表1换能器部分几何尺寸参数

部件材质

规格/

(mm)长度/(mm)

数量

前盖板Tc405549

1

压电陶瓷PZT-4

0556

6后盖板6061

05515

1预紧螺栓40CrM18X1. 588

1预紧螺母

40Cr

044

15

1

换能器前盖板装配凹槽宽度和后盖板工艺倒角 底边长分别字母《、表示如图3所示。凹槽以换 能器中心轴对称分布在前盖板上下两侧，上下凹槽 底面平行于水平面;前盖板左端呈圆锥状，左端面和 预紧螺栓螺母右端面能相同。文中将分别探究无 倒角、凹槽深度一定时宽度《及无凹槽时倒角底边 长6对换能器频率、前后振比、振幅、应力和节点的 影响规律。

图3装配凹槽宽度及工艺倒角底边长示意图2

理论设计换能器的有限元分析2. 1

换能器的建模

根据换能器的理论设计，求出换能器的各个部 分尺寸，并采用SOLIDWORDS进行模型建立，考虑 到ANSYS求解时间的长短，忽略电极片的厚度，并 对预紧螺栓进行简化处理。将建立的换能器模型导

入到ANSYS有限元分析软件中，按照表2分别为换 能器各部件赋予材料属性，并依次进行网格划分，划 分结果如图4所示。

表2换能器各部件材料属性

密度

模型序号材料

p ( kE弹性模量 泊松比

/ ( N/m2 )

前盖板Tc44550^^m3 )

1.15X10110. a

34

压电陶瓷PZT - 4

7500------后盖板606127907. 15x10100. 33预紧螺栓螺母

40Cr

78001.9x1010

0. 28

2. 2换能器模态分析及谐响应分析

对换能器模态分析时，设置频率区间（19〜21)

KHz，模数为20,求解完毕后选取频率20KHz附近

的振动模型，通过观察换能器的不同阶数振动情况，

徐兵等：夹心式压电换能器外形结构对其振动性能的彩响发现频率为20045Hz的换能器能满足纵向振动，而 在其它谐振频率下换能器做扭转振动、横向振动或 者弯曲振动，不符合设计要求。在模态分析的基础 上对换能器进行谐响应分析，给压电片施加交流电 压300V，设置经验阻尼值为0. 003，采用Ml法，设 置50阶子步，采用稀疏矩阵求解器求解。选择对应 频率的位移云图和应力云图观察所设计换能器的前 后振幅分别为5.50陣和4.06陣，最大应力值为 31.50MPa，节点位置在距离换能器左端面51.75rnrn处。

图4换能器网格划分

参照以上未开设装配凹槽和工艺倒角的换能 器，分别研究凹槽宽度和倒角底边长度对换能器频 率、前后振比、振幅、应力和节点的影响规律，进而为 后期换能器简单模型的理论设计提供参考。2. 3

换能器外形结构对性能参数的影响 2.3.1装配凹槽宽度对换能器振动性能参数的影响

考虑到换能器输出端面和变幅杆输入端面有尽 可能大的接触面积，曾加波的传递效率，减少漏波面

积，在距离换能器右端面10mm处开设初始装配凹 槽宽度10mm和凹槽深度2mm，既能满足装配过程 中两个扳手水平之间的活动距离也能满足单只扳手 牙口宽度。假设凹槽宽度范围在（10〜28) mm之 间，其他尺寸不变，从小到大依次增加3mm，利用

ANSYS分析不同凹槽宽度对换能器频率、两端振

比、最大应力及节点的影响规律。分别对换能器进

行模态分析和谐响应分析，分析结果如图5所示。

图5(a)为装配凹槽宽度对换能器频率和前后 振幅比的影响曲线图。从图中可以看出当凹槽宽度 在（10〜19)mm范围内时，换能器频率随着凹槽宽 度的增加而增加;宽度在(20〜28) mm之间时，换能 器的频率增加速度短暂放缓，后逐渐开始下降;换能 器的前后振幅比值围绕数值1. 35小范围上下波动， 无明显的增减。图5(b)为凹槽宽度对换能器最大 应力值和最大振幅的影响曲线图。图中可以看出换 能器的最大应力值和输出端最大振幅增减步调-

47

致，当凹槽宽度在（10〜22) mm范围内时，最大应力 值和最大振幅呈二次函数态势随凹槽宽度的增加逐 级递减，凹槽宽度大于22mm时，二者有随着凹槽宽 度的增加而增加。

从以上分析可以看出，增加装配凹槽宽度在一 定范围内会增加换能器频率值，超出范围频率值又 逐渐降低，而换能器的最大应力值和最大振幅的增 减趋势与频率增减相反;装配凹槽宽度大小对换能 器前后振比影响较小，前后振比曲线趋于水平。在实 际的生产加工中，需尽可能的降低换能器外形结构对

频率、最大振幅及最大应力的影响，图5(a)、5(b)所示 随着凹槽宽度的增加，换能器的轴向长度相对缩短， 换能器固有频率值增加；当换能器的激励电压频率 (20KHz)和固有频率相差较大时，最大振幅降低，最 大应力降低，因此在合理的选择凹槽宽度时，需要同 时兼顾凹槽宽度增加所造成的换能器频率增加和最 大振幅降低的不利因素及最大应力降低的有利因 素，找出满足实际要求的合理值。

最大应力

\\

最大振幅.

\\[s\\

\\/

/

V

20060

10

13

16

19 22 25 28 31

凹槽宽度（mm)

凹槽宽度（mm)

(a)凹槽宽度对频率和前后振比的影响

(b)凹槽宽度对最大应力和最大振幅的影响

图5凹槽宽度对换能器振动特性的影响

2.3.2工艺倒角底边长度对换能器振动性能参数 的影响

工艺倒角底边长如图3(b)所示，设定倒角底边 长度范围在(0〜6) mm范围内，其他尺寸不变，倒角 底边长逐步增加1mm，直至长度达到6mm，观察在 不同倒角底边长度时，换能器频率、前后振比和最大 应力、最大振幅及节点的变化规律。

对换能器进行模态分析和谐响应分析，图6 ( a ) 为倒角底边长对换能器频率和前后振比的影响曲线 图，从图中可以看出，随着倒角底边长的增加，换能

器的频率线性增加，前后振比在倒角底边长为1mm 时呈现小幅度上升，后趋于稳定;图6 (b)显示，最大 应力和最大振幅随着倒角底边长的增加逐渐下降， 下降速率保持一致。

从以上分析可以看出，倒角底边长的增加，同样 导致了换能器整体尺寸相对减小，增加了固有频率;

48在进行谐响应分析时，激励电压频率和固有频率不 一致，促使换能器不能达到最大振幅，且伴随固有频 率的值线性增加，最大振幅和最大应力呈非线性降低。

-•-最大应力

\\

最大振幅

\\

\\

丨、<4

(a)倒角底边长对频率和前后振比的影响

（b)倒角底边对最大应力和最大振幅的影响

图6倒角长度对换能器振动特性的影响

(a)凹槽宽度对节点的影响

（b)倒角底边长对节点的影响

图7凹槽宽度和倒角底边长对换能器节点的影响

图7(a)、7(b)为凹槽宽度和倒角底边长对换 能器位移节点的影响曲线图，从图中可以看出，两者 的位移节点位置不随着各自变量变化而变化，其中 工艺倒角底边长的增加不改变原始条件下的位移节 点，而开设装配凹槽使得换能器的位移节点向换能 器的左端面移动，凹槽宽度的增加不改变位移节点 的位置。3

实际换能器振动性能测试

根据以上分析，取换能器的装配凹槽宽度为 22mm，工艺倒角底边长为5mm，其他尺寸不变;采 用SOLIDWORDS建模，并导入到ANSYS分析软件 中，进行模态分析和谐响应分析。在该尺寸下，换能 器的模拟纵振频率为20143Hz，换能器右端面最大 振幅为4. 77評。将设计的换能器，按照等比尺寸 加工装配，装配过程中保证换能器各元件之间的接 触面光滑平整，各个接合部分的表面进行研磨，一般 达到镜面水平。在压电陶瓷和前后金属盖板之间添 加材料为黄铜的金属片作为金属电极，金属片的厚 度为0.25mm;压电陶瓷、电极片和前后盖板之间用 环氧树脂胶合，并用预紧螺栓将换能器各部件固定 在一起如图8所示。将换能器竖直固定夹具上，采 用型号为JHSH2000的超声波发生器驱动换能器上 下振动，并采用型号为OD5000的西克高精度激光 测距传感器和型号为6500 - B的CV特性分析仪分 别对换能器进行振幅和实际频率测试。测试结果显 示换能器最大端面振幅为5. 176^m，如图9所示，换

《针量与测试技术》2018年第45卷第8期

能器的实际频率为20130Hz，如图10所示。通过对 比，实际测试值和模拟值相差不大，在装配误差和测 试误差允许的范围内，实际测试结果可以接受，测试

值间接验证了 ANSYS模拟结果的可靠性。

图8换能器实际模型

4

结论

文章主要采用ANSYS有限元法研究了装配凹 槽宽度和工艺倒角底边长度对换能器频率、应力等

振动特性的影响，对换能器的不同外形结构分别进 行了模态分析和谐响应分析，通过曲线图分析其对 换能器振动特性的影响规律，对于工程实际当中换 能器的理论设计和研究具有一定的参考价值。结论 如下：

⑴装配凹槽宽度和工艺倒角底边长的增加使 得换能器总体尺寸相对缩短，促使换能器的频率也 逐渐上升，频率的增加或减少决定了最大应力和最 大振幅的走向趋势，最大应力和最大振幅的增减呈 非线性变化。

图9换能器振幅测试

图10换能器频率测试

徐兵等：夹心式压电换能器外形结构对其振动性能的影响49

⑵工艺倒角底边长的増加不影响初始换能器 的位移节点，而开设装配凹槽使得换能器的位移节 点向换能器的左端面移动，但凹槽宽度的増加不改 变位移节点的位置。

(3)装配凹槽宽度和工艺倒角底边长的増加对 换能器的前后振比影响较小，其中开有凹槽的换能 器前后振比相对开有倒角换能器的前后振比较大， 在某种程度上有助于减小压电晶堆附近的应力，其 介电损耗较小，在相同条件下振动效果更明显。

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一

(上接第44页）

经与厂家的多次技术讨论和边界条件确定，最终试 制出辅助液泵电机及电机控制器的A样件。辅助 液泵电机的外形尺寸为少76 X 85mm,总重量为 2.0kg。辅助液泵电机控制器的外形尺寸为糊x 36. 5mm,总重量为0. 3kg(见图7、图8)。

器提供低压电源，通过CANoe实现电脑与辅助液泵 电机控制器的CAN通讯。7

结论

辅助液泵电机及控制器的开发对于原DCT系 统匹配混合动力车型具有重要意义。作者记录了辅 助液泵电机及电机控制器从最初的边界条件定义、 系统要求指标确定、电机及控制器的性能设计、试制 样机、台架测试等一系列的产品开发过程。通过台 架测试、装车试验证实，辅助液泵电机及控制器的A 样件可基本满足DCT系统的需要。

参考文献

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图8辅助液泵电机的A样件

6.2台架测试

首先将辅助液泵电机的裸线与安费诺的穿壁插 接件用焊接工艺进行连接，提供给试制部用于DCT 变速箱的组装。然后将辅助液泵电机控制器的输出 端裸线与安费诺的穿壁插接件进行连接，用于后续 试验。务必保证穿壁件的在完成组装的DCT变速 箱安装到系统调试台架后，将辅助液泵电机与电机 控制器通过穿壁件连接，单独给辅助液泵电机控制

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作者简介:何嘉纯，男，助理工程师。工作单位:广东省珠海市质量计

量监督检测所。

白国军,闻俊杰，梁观胜,广东省珠海市质量计量监督检测所 (珠海 519000)。