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压电陶瓷的位置对换能器的影响

压电陶瓷位于后驱动器和前驱动器之间。为了在压电陶瓷上提供足够的预应力,后驱动器需要具有一定的刚度;这种刚度取决于后驱动器的长度、材料、直径和支撑后驱动器的方法,同样也适用于前驱动器。

为了调整到所需的纵向谐振,后驱动器和前驱动器的长度通常比最小要求要长。问题是,随着后驱动器或前驱动器长度的调整,压电陶瓷应该放在相对于换能器节点的什么位置?压电陶瓷的放置应考虑输出振幅、功率传输、损耗、频率稳定性和安装。

有两种基本的放置:压电陶瓷堆可以放置在位于节点中心位置或偏离节点的位置。

振幅注意事项

理论上,当压电陶瓷位于应变最高的位置(即在节点处)时,换能器的振幅将最大化;如果压电陶瓷远离节点,振幅将减小。

(a)压电陶瓷居中 (b)压电陶瓷适度偏移 (c)压电陶瓷高度偏移
压电陶瓷偏移对换能器振幅的影响

注意:随着压电陶瓷偏移量的增加,谐振频率也会增加。这是因为低模量的压电陶瓷材料实际上被高模量的前驱动材料(本例中为黄铜)所取代,从而使换能器变硬。

为了最大限度地提高输出振幅,前部驱动器的输出直径通常要比压电陶瓷的直径小,这类似于在变幅杆和工具头中建立增益。当最大化缩小直径大小时,振幅就会达到最大。然而,当压电陶瓷居中时,前驱动器的长度比偏置压电陶瓷短;与偏置压电陶瓷相比,这将在一定程度上减少振幅。需要进行分析以预测净振幅的影响。

虽然居中压电陶瓷在低驱动水平下提供最高振幅,但是必须考虑在非线性效应的较高驱动水平下,这可能不正确。

电源注意事项

换能器可以提供的近似最大功率由以下等式给出。

(1) P = 2 π f s E 3 2 ε 33 T κ e f f 2 Q M V

P 传递的声功率[W]
fs 串联谐振频率 [Hz]
E3 电场强度 [V/m]
εT33 恒定应力下的压电介电常数 [(库仑/伏特)/m = 法拉/m]
κ2eff 机电耦合系数 [无单位]
QM 机械 Q [无单位]
V 总压电陶瓷体积[m3]

在所有其他条件相同的情况下,当机电耦合系数、机械Q值和压电陶瓷总体积达到最大时,功率将达到最大。有效机电耦合系数 κeff 取决于压电陶瓷相对于节点的位置以及压电陶瓷体积。

压电陶瓷长度(以灰色显示)和位置对κ2eff 的影响

Lpiezo= 压电陶瓷的长度

Ltotal= 换能器总长度

κ2eff= 有效机电耦合系数的平方 [无单位]

max(κ2eff)= 最大可能κ2eff

(2) κ e f f 2 = f a 2 f r 2 f r 2

fa= 反谐振频率

fr= 谐振频率

注释

压电陶瓷是每个换能器草图上的灰色区域。 端部质量(无阴影区域)是无源材料 ,即与压电陶瓷相同的材料,只是没有抛光(没有可用的压电效应)。 换能器的横截面沿其长度方向是不变的。

从上图中可以得出两个结论 :

  • 无论压电陶瓷的位置如何,当压电陶瓷的长度为换能器长度的1/2时,κ2eff 是最大的(Lpiezo / Ltotal=0.5)。
  • 对于任何给定的Lpiezo / Ltotal,当压电陶瓷位于节点中心(上层实心曲线)而不是偏离节点(下层两条曲线)时,κ2eff 值最大,偏离越大,κ2eff 值越低。

考虑 κeff 和 Q综合效应

在单独考了κ2eff,压电陶瓷的最佳位置再次位于节点处(上曲线)。然而,最佳压电陶瓷长度从0.5减小到0.33(对应于上曲线的峰值)。此外,请注意,在较宽的范围内,上面的曲线曲率相对较低。例如,对于Lpiezo/Ltotal介于0.2和0.5之间,曲线位于0.9以上,这意味着只要压电陶瓷的长度大于0.2 Ltotal,就可以合理地“接近最佳”。

压电陶瓷的波速约为3200米/秒(声音在固体中传播速度),那么20KHz时的Ltotal为80毫米。那么最佳压电陶瓷长度将为 0.33 * 80 mm = 26 mm,“接近最佳”长度范围为16 mm至40 mm之间。

压电陶瓷长度(以灰色表示)和位置对Qeff*k2eff 的影响

将压电陶瓷放置在远离节点的地方(应变减小的区域)可以减少压电陶瓷的振动损失。然而,由于机电耦合的减少,这个位置可能会大大减少可用的功率,最多可减少一半)。

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