雪花形二维耦合振动夹心式压电超声换能器的设计

来源：振动与冲击杂志2024年第8期北京时间：

作者：许龙,，王威震，龚涛，李果，赵伦，周光平，梁召峰

单位：1.中国计量大学理学院， 杭州310018；2.深圳职业技术大学智能制造技术研究院，广东深圳518055;3.西安邮电大学西安市先进控制与信息处理重点实验室，西安710121

摘要：为了实现单个换能器的多方向超声辐射，提出了一种新型的雪花形二维耦合振动夹心式压电超声换能器，它由正六棱柱形金属块、6组压电陶瓷晶堆和6个金属盖板组成。基于耦合振动理论和力电类比原理建立了换能器等效电路模型，推导了其共振与反共振频率方程。通过等效电路法、有限元法和实验研究了换能器的二维耦合振动特性。结果表明，当压电陶瓷晶堆越靠近正六棱柱形金属块时，换能器的有效机电偶合系数越高；随着换能器轴向尺寸的增加纵向耦合共振频率降低；在纵向耦合共振模式下，换能器的6个输出端均可输出一致的纵向位移振幅；等效电路法、有限元仿真和实验测试取得了较为一致的结果。本文研究结果为该类换能器的工程应用提供了简明设计理论，研究成果有望应用于多维超声加工、多向超声辐射等领域。

关键词：夹心式压电换能器, 等效电路法, 耦合振动, 振动模态