[发明专利]一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法

摘要

一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，属于超声换能器设计领域。本发明技术要点：一、计算压电陶瓷片的端面面积、前后盖板的端面面积；二、计算压电陶瓷片的阻抗、前后盖板的阻抗；三、计算电陶瓷片、前后盖板的波数；四、计算前后盖板的长度；五、计算拉应力，剪应力，压应力；六、计算预应力螺栓通孔的直径的取值范围，确定直径的值；七、计算螺栓头高度的取值范围，确定高度值；八、计算螺栓头的边长的取值范围，确定边长值；九、确定绝缘套管的内、外直径及长度，电极片的数量、内、外直径及厚度，选择绝缘套管及电极片的材料；十、对所设计的换能器进行数值模拟，并进行优化。本发明适用于空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计。

主权项

1.一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法，其特征在于，它包括预应力螺栓(1)、后盖板(2)、绝缘套管(3)、电极片(4)、压电陶瓷片(5)、前盖板(6)；所述预应力螺栓(1)带有圆柱形通孔，预应力螺栓(1)带有正六边形螺栓头；所述后盖板(2)的内、外直径与压电陶瓷片(5)的内、外直径相等；所述绝缘套管(3)的外直径与后盖板(2)的内直径相等，内直径与预应力螺栓(1)的大径相等，绝缘套管(3)的长度根据整体设计而定；所述电极片(4)的内、外直径与压电陶瓷片的内、外直径相等，厚度根据实际设计而定，电极片(4)位于压电陶瓷片与压电陶瓷片之间以及压电陶瓷片与前后盖板之间；压电陶瓷片(5)为偶数片，所有压电陶瓷片(5)的尺寸相同，所述前盖板(6)的外直径与压电陶瓷片(5)的外直径相等；预应力螺栓(1)用于将后盖板(2)、电极片(4)、压电陶瓷片(5)和前盖板(6)连接在一起，绝缘套管(3)套装在预应力螺栓(1)上，位于后盖板(2)、电极片(4)及压电陶瓷片(5)与预应力螺栓(1)之间；定义所述一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的预应力螺栓的大径d4、预应力螺栓的小径d5、预应力螺栓通孔的直径d6、螺栓头的边长a、螺栓头的高度h、后盖板的内直径和压电陶瓷片的内直径均为d2、后盖板的外直径和前盖板的外直径均为d1、后盖板的长度l4、压电陶瓷片的内直径d2、压电陶瓷片的外直径d1、压电陶瓷片的厚度l1、前盖板的内直径d3、前盖板的长度l2；一种空心夹心式压电陶瓷超声换能器的设计方法按照如下步骤确定：步骤一、设压电陶瓷片的端面面积为S1，前盖板的端面面积为S2，后盖板的端面面积为S4，则：给定d1、d2、d3时，利用(1)式即可求出S1、S2、S4；步骤二、设压电陶瓷片的阻抗为Z1、密度为ρ1、纵向声速为C1，前盖板的阻抗为Z2、密度为ρ2、纵向声速为C2，后前盖板的阻抗为Z4、密度为ρ4、纵向声速为C4，则：给定ρ1、C1、ρ2、C2、ρ4、C4，再由求出的S1、S2、S4，利用(2)式即可求出Z1、Z2、Z4；步骤三、设压电陶瓷片的波数为k1，前盖板的波数为k2，后盖板的波数为k4，设计频率为f，则：由给定的C1、C2、C4、f，利用(3)式即可求出k1、k2、k4；步骤四、设压电陶瓷的片数为n，则：给定n、l1，再由求出的k1、k2、k4、Z1、Z2、Z4，利用(4)式即可求出l4、l2；步骤五、设预应力螺栓所受拉应力为F，剪应力为Q，压应力为Fbs，压电陶瓷单位面积所受预紧力为ξ，则：F＝Q＝Fbs＝S1ξ     (5)给定ξ，再由求出的S1，利用(5)式即可求出F、Q、Fbs；步骤六、设预应力螺栓的螺纹牙高为δ，预应力螺栓材料的许用拉应力为[σ]，则：给定δ、d4、[σ]，再由求出的F，利用(6)式即可得到d6的取值范围，从而确定d6的值；步骤七、设预应力螺栓的许用剪应力为为[τ]，则：给定[τ]，再由求出的Q，利用(7)式即可得到h的取值范围，从而确定h的值；步骤八、设预应力螺栓的许用压应力为[σbs]，则：给定[σbs]，再由求出的Fbs，确定的d6，利用(8)式即可得到a的取值范围，从而确定a的值；步骤九、由以上设计结果确定绝缘套管的内、外直径及长度，电极片的数量、内、外直径及厚度，并对绝缘套管及电极片的材料进行选择；步骤十、对所设计的空心夹心式压电陶瓷超声换能器进行数值模拟，对设计进行优化。