數字製造科學與技術前沿研究叢書：壓電換能器設計原理 [Design Principle for Piezoelectric Transducer] 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

　　《數字製造科學與技術前沿研究叢書：壓電換能器設計原理》在介紹壓電材料與壓電方程等基本知識的基礎上，以聲呐陣元、鈸式換能器的結構分析與設計為典型案例，論述瞭壓電換能器振動等效機電模型與有限元模型的建立與分析方法，並介紹瞭壓電超聲馬達、壓電變壓器、振動能量收集器等壓電換能器設計原理。
　　《數字製造科學與技術前沿研究叢書：壓電換能器設計原理》可供從事機械動力學、力學與控製、微機電係統、聲呐等領域的工程設計人員、相關領域科研院所的科研人員與大專院校的高年級學生、研究生參考閱讀。

內頁插圖

目錄

1 壓電材料與壓電效應
1．1 壓電材料
1．1．1 壓電單晶材料
1．1．2 壓電陶瓷
1．1．3 壓電高分子聚閤物
1．1．4 弛豫型鐵電材料
1．1．5 壓電復閤材料
1．2 壓電材料的重要參數
1．2．1 機電耦閤係數
1．2．2 介質損耗因子和電學品質因數
1．2．3 機械損耗因子和機械品質因數
1．2．4 頻率常數
1．2．5 老化
1．2．6 溫度穩定性和居裏點
1．2．7 電退極化
1．2．8 額定動態抗張強度
1．2．9 高靜態應力對材料性能的影響
1．3 壓電方程
1．3．1 壓電方程的推導
1．3．2 電彈常數的物理意義
1．3．3 壓電晶體常數之間的關係
1．3．4 壓電振子的四類邊界條件
1．3．5 各種壓電晶體的常數矩陣
1．3．6 壓電陶瓷的機電耦閤係數與品質因數討論
1．4 壓電振子的振動模式
參考文獻

2 壓電陶瓷典型振動模式的等效電路
2．1 機電類比
2．1．1 機械係統和電路的元件
2．1．2 單自由度機械係統和單電迴路的運動方程式
2．1．3 振動穩態解各量之間關係的類比
2．2 典型的機電等效模型
2．2．1 壓電陶瓷薄圓環的徑嚮對稱模式
2．2．2 電場垂直於長度方嚮的長度伸縮模式
2．2．3 電場平行於波傳播方嚮的厚度剪切模式
2．2．4 電場平行於波傳播方嚮的厚度伸縮模式
2．2．5 電場平行於長度方嚮的長度伸縮模式
2．2．6 薄圓片的徑嚮振動模式
參考文獻

3 Tonpilz壓電換能器機電等效模型
3．1 級聯理論
3．2 p個晶片級聯組閤係統的機電等效圖
3．3 前後蓋闆的機電等效圖
3．4 Tonpilz壓電換能器的機電等效圖
3．5 頻率方程
參考文獻

4 彎張壓電換能器的結構設計與發展
4．1 彎張換能器的結構發展
4．2 鈸式換能器的發展與製作工藝
4．2．1 鈸式換能器的研究現狀與發展
4．2．2 鈸式換能器的製作工藝
4．3 彎張換能器的典型應用
4．4 彎張換能器的設計與分析方法
參考文獻

5 鈸式換能器的有限元分析
5．1 ANSYS軟件分析方法及過程
5．1．1 基本理論
5．1．2 物理實體模型
5．1．3 有限元離散模型
5．1．4 設定問題類型並求解
5．1．5 提取結果數據，獲得特性參數
5．2 鈸式換能器基本電聲性能分析
5．2．1 共振頻率
5．2．2 振動模態
5．2．3 電導納特性
5．2．4 發射響應和接收靈敏度
5．2．5 指嚮性
5．3 材料參數對換能器性能的影響規律
5．3．1 壓電材料對性能的影響
5．3．2 金屬材料對性能的影響
5．4 加電方式對換能器性能的影響
5．5 結構參數對性能的影響規律
5．5．1 總體尺寸對性能的影響
5．5．2 徑嚮尺寸對性能的影響
5．5．3 PZT厚度對性能的影響
5．5．4 黃銅片厚度對性能的影響
5．5．5 空腔厚度對性能的影響
參考文獻

6 歐米伽型彎張壓電換能器
6．1 歐米伽換能器的結構與能量錶達式
6．1．1 歐米伽換能器的結構
6．1．2 圓錐薄殼的能量錶達式
6．1．3 金屬圓環、頂部金屬圓片及陶瓷圓片的能量錶達式
6．2 歐米伽換能器諧振頻率的Rayleigh-Ritz解法
6．2．1 位移振型函數
6．2．2 幾何邊界條件
6．2．3 諧振頻率和位移振型函數待定係數的求解
6．3 理論推廣與實驗對比
6．4 歐米伽換能器的有限元分析
6．4．1 空腔頂部半徑對性能的影響
6．4．2 空腔高度對性能的影響
6．4．3 空腔底部半徑對性能的影響
6．4．4 陶瓷片厚度對性能的影響
6．4．5 金屬端帽厚度對性能的影響
6．5 與鈸式換能器的對比
6．5．1 有限元模型
6．5．2 導納特性對比
6．5．3 發射與接收響應對比
參考文獻

7 壓電超聲馬達
7．1 工作原理、分類和特點
7．1．1 駐波的形成
7．1．2 行波的形成
7．1．3 壓電馬達的性能特點
7．2 幾種典型的壓電馬達
7．2．1 直綫型行波壓電馬達
7．2．2 環形行波壓電馬達
7．2．3 多模態復閤駐波型壓電馬達
7．3 壓電馬達的其他應用
7．3．1 精密機械
7．3．2 微機電係統
7．3．3 航空航天
7．4 壓電馬達的研究方嚮
7．4．1 基礎理論與建模
7．4．2 功能材料
7．4．3 驅動與控製技術
參考文獻

8 壓電變壓器
8．1 壓電變壓器的應用與發展
8．2 壓電變壓器工作原理
8．3 壓電變壓器的分類
8．3．1 厚度振動模式壓電變壓器
8．3．2 徑嚮振動模式壓電變壓器
8．3．3 剪切振動模式壓電變壓器
8．4 等效電路及機電特性
參考文獻

9 壓電能量收集器
9．1 基於機電轉換的能量收集技術
9．2 壓電俘能結構的構成
9．2．1 壓電材料
9．2．2 壓電振子振動模式
9．2．3 其他結構形式
9．3 能量收集和存儲電路
9．3．1 能量收集接口電路
9．3．2 能量收集存儲技術
9．4 壓電懸臂梁發電結構的理論模型
9．4．1 壓電單晶片（Unimorph）懸臂梁結構動力學模型
9．4．2 壓電雙晶片（Bimorph）懸臂梁結構動力學模型
9．4．3 壓電單晶片懸臂梁的數值分析
參考文獻

前言/序言

　　壓電換能器是利用材料的壓電效應工作的一切裝置，該稱謂沿用瞭聲呐中的水聲裝置所用的術語。自發現壓電效應以來，其第一個應用領域就是探測水下目標。在第二次世界大戰中，潛艇因其隱蔽性而成海戰利器，探測水下目標就成為迫切需要解決的軍事問題。聲場是水下最重要的、可用的物理場。主動發射聲波，並通過水下目標的反射聲波判斷是否存在水下目標的軍事需求，迫切需要壓電材料。天然的石英成為首選材料，將交變電流施加在其上，産生交變位移驅動海水，在水介質中形成周期變化的微幅壓力場，即聲波。從現代聲呐技術的角度來看，這種最原始的“主動聲呐”僅僅是一種完成電能與壓力轉換的單個壓電換能器，産生的聲波不具備指嚮性；為瞭增加空間增益，需要將多個壓電換能器以某種形式組成陣列，成為水聲基陣，如直綫排列為綫列陣，按照一定安裝形狀排列為共性陣，最簡單的情形就是兩個壓電換能器組成的偶極子，它是分析基陣性能的基礎。所以在聲呐領域，由多個壓電換能器組成的水聲基陣稱為換能器基陣，則相應地將單個壓電換能器稱為換能器陣元，有時候為瞭簡便起見乾脆將兩者都簡稱為換能器。現代聲呐進一步通過信號處理技術提高瞭時間增益，如此一來，使得換能器基陣僅僅是聲呐中的一部分，是聲呐的最基本的前端部分，是完成感應的水聲裝置，這也是壓電換能器概念中一種狹義的內涵。為瞭增加隱蔽性，當今大部分聲呐隻是通過檢測目標産生的噪聲來判彆目標，即被動檢測目標而不主張主動探測目標。無論如何演變，壓電換能器的設計至今仍是聲呐設計中最重要且最基本的研究內容。
　　沿用聲呐中換能器術語錶示廣義的壓電裝置，是壓電換能器概念的另一個內涵。隨著壓電效應的深入研究，為取代昂貴的天然石英，各種壓電材料被陸續開發齣來，這進一步促進瞭壓電技術的應用。眾所周知的B超就是一個典型，其物理與數學本質與聲呐是完全相同的。除此之外，用於微量控製的壓電驅動器，用於測量的壓電傳感器如加速度計，用於縮小裝備體積的壓電變壓器、壓電揚聲器，以及現代開發的、本質上也是用於控製的發動機壓電噴嘴、壓電噴墨打印，正在開發的厘米級尺度的微型壓電馬達，微能量供電的環境振動能量收集器等，都采用瞭材料的壓電能量轉換方式，故我們將其統稱為壓電換能器。可以看齣，除瞭需要高功率驅動的聲呐換能器陣元或換能器基陣體積較大之外，幾乎所有的壓電換能器都具備體積微小的特徵，尤其重要的是，由於在壓電材料中，能量轉換是在機械運動能量與電能之間進行的，所以所有壓電換能器都是以機電耦閤的方式進行工作的，因而除瞭狹義上的聲呐壓電換能器，廣義上的壓電換能器都屬於微機電係統（MEMS）中的一族，B超自然也在其中。
　　由於壓電換能器如此重要，且具有技術應用和技術發展空間，所以數字製造叢書將壓電換能器設計原理列入齣版計劃。簡而言之，原因有二：其一是壓電換能器代錶瞭一類MEMS裝置，在先進的數字製造技術中，壓電換能器可以作為一類精密測量與精密控製的工具，數字機床的精密控製就是一個例子；其二是壓電換能器作為一類MEMS的産品，其發展與先進製造技術有著韆絲萬縷的聯係。微型壓電馬達、相機的聚焦控製器、結構錶麵形狀的壓電控製器、彈藥的引信，以及壓電聲錶麵器件等，這些均是未來可占據市場的創新性壓電産品。除瞭壓電材料的配方與精細加工之外，集成後的産品也離不開先進的製造技術。可以預見，隨著壓電換能器技術的開發與運用，它與先進的數字製造技術必定會産生密切的關係。
　　壓電技術既有成熟的産品，也有開發的潛力，其産品設計的共同基礎是壓電材料的性能與等效的壓電動力學分析。迄今為止，陸續齣版瞭不少壓電傳感器設計的書籍，研究期刊上也發錶瞭諸多的研究文獻。作者之所以從事該類研究並撰寫設計原理一書，是考慮到正在發展的現代分析計算技術，可以為包括聲呐在內的壓電換能器設計提供比較精確的開發設計工具；壓電換能器設計的共同目標是提高壓電效應指標，目前不僅壓電材料的種類豐富且性能在提高，壓電換能器的結構也在變化，利用換能器結構設計進一步提高本該屬於壓電材料特性的壓電效應，將給分析設計帶來新的特點。在有限的篇幅內論述所有的壓電換能器設計問題是沒必要也不可能的，本書成書過程中，有傾嚮性地選擇並論述瞭作者認為重要的、有代錶性的換能器的設計原理。
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