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夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展

第35卷第4期声学技术Vol.35, No.4 2016年8月Technical Acoustics Aug., 2016

夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展

梁召峰

(深圳职业技术学院,广东深圳518055)

摘要:夹心式压电陶瓷超声换能器是目前大功率超声设备中应用最广的一种换能器,其在大功率工作状态下会呈现出明显的非线性特征。综述了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性方面的研究进展。首先介绍了国内外在压电陶瓷非线性方面的重要理论及实验研究成果,着重阐述了大功率领域常用的硬压电陶瓷的非线性研究工作,其次对夹心式压电陶瓷超声换能器的结构及工艺所引起的非线性进行了简要分析和论述,最后介绍了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性建模方面的研究进展。

关键词:夹心式超声换能器;非线性;压电陶瓷;大功率

中图分类号:TB559 文献标识码:A 文章编号:1000-3630(2016)-04-0296-07

DOI编码:10.16300/https://www.wendangku.net/doc/623155434.html,ki.1000-3630.2016.04.003

Research progress on the nonlinearities of sandwich

piezoelectric ceramic ultrasonic transducer

LIANG Zhao-feng

(Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, Guongdong,China)

Abstract: So far the sandwich piezoelectric ceramic ultrasonic transducer is the most widely used transducer in high- power ultrasonic equipment, which, however, will exhibit significant nonlinear characteristics under the high-power state. The research progress on the nonlinearities of sandwich piezoelectric ceramic ultrasonic transducer is reviewed.

Some important theoretical results and experimental ones about the nonlinearities of piezoelectric ceramic are firstly summarized, and the research works about hard piezoelectric ceramic, which is commonly used in high-power ultra-sound field, are emphatically introduced. Secondly, the nonlinearities caused by the structure and production process of the sandwich piezoelectric ceramic ultrasonic transducer are briefly analyzed and discussed. The current research status on the nonlinear model of sandwich piezoelectric ceramic transducer is finally introduced.

Key words: sandwich ultrasonic transducer; nonlinear; piezoelectric ceramic; high-power

0 引言

近些年来,功率超声技术在声化学、生物柴油、污水处理、食品工业、中草药提取等领域显示出广泛的应用前景[1-3],但这些应用均需要大功率的超声换能器及稳定的电控系统,因此对换能器功率容量及系统稳定性提出了更高的要求。当前制约这些超声新技术大规模工业化应用的主要障碍是缺乏高效稳定的大功率超声设备[4]。夹心式压电陶瓷超声换能器(即郎之万超声换能器)具有结构简单、机电转换效率高且易于优化等优点,是目前大功率超声设

收稿日期:2015-11-10;修回日期: 2016-02-10

基金项目: 国家自然科学基金(11304207)、广东省自然科学基金

(S2012010010402)、深圳市基础研究项目(JC201006020762A)

资助。

作者简介: 梁召峰(1979-), 男, 陕西凤翔人, 博士, 副研究员, 研究方向为功率超声。

通讯作者:梁召峰, E-mail: liangzf@https://www.wendangku.net/doc/623155434.html, 备中应用最广的一种换能器,也是最核心的部件。压电陶瓷是压电多晶材料,大多具有铁电性,在较高电场下会产生严重的迟滞和非线性,此时经典的线性压电理论将不再适用,因此压电陶瓷换能器本质上是一个非线性机电耦合系统。在大功率工作状态下,压电陶瓷进入非线性工作域,加之换能器各零部件之间的接触损耗,使其呈现明显的非线性特性,此时换能器的性能参数将不同于小信号下的测量值。实验表明,工作在大功率条件下的压电陶瓷换能器,会出现明显的谐振频率漂移、谐波滋生、跳跃等非线性现象,从而导致换能器发热、振幅饱和、性能下降,系统不稳定[5]。此时换能器的性能参数难于确定,因而对于它的优化设计、性能评价以及电控制都变得困难。这正是当前制约大功率超声技术有效应用的关键问题,也是目前功率超声领域亟待解决的重要课题。

在大功率工作状态下压电陶瓷换能器的非线性和换能器的材料、结构、工艺,以及温度、驱动

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