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1 压电材料与压电效应 1

1.1 压电材料 1

1.1.1 压电单晶材料 2

1.1.2 压电陶瓷 3

1.1.3 压电高分子聚合物 4

1.1.4 弛豫型铁电材料 5

1.1.5 压电复合材料 5

1.2 压电材料的重要参数 6

1.2.1 机电耦合系数 7

1.2.2 介质损耗因子和电学品质因数 7

1.2.3 机械损耗因子和机械品质因数 9

1.2.4 频率常数 10

1.2.5 老化 11

1.2.6 温度稳定性和居里点 11

1.2.7 电退极化 13

1.2.8 额定动态抗张强度 13

1.2.9 高静态应力对材料性能的影响 13

1.3 压电方程 16

1.3.1 压电方程的推导 16

1.3.2 电弹常数的物理意义 19

1.3.3 压电晶体常数之间的关系 20

1.3.4 压电振子的四类边界条件 26

1.3.5 各种压电晶体的常数矩阵 27

1.3.6 压电陶瓷的机电耦合系数与品质因数讨论 30

1.4 压电振子的振动模式 31

参考文献 36

2 压电陶瓷典型振动模式的等效电路 37

2.1 机电类比 37

2.1.1 机械系统和电路的元件 37

2.1.2 单自由度机械系统和单电回路的运动方程式 38

2.1.3 振动稳态解各量之间关系的类比 39

2.2 典型的机电等效模型 40

2.2.1 压电陶瓷薄圆环的径向对称模式 40

2.2.2 电场垂直于长度方向的长度伸缩模式 44

2.2.3 电场平行于波传播方向的厚度剪切模式 49

2.2.4 电场平行于波传播方向的厚度伸缩模式 53

2.2.5 电场平行于长度方向的长度伸缩模式 54

2.2.6 薄圆片的径向振动模式 56

参考文献 61

3 Tonpilz压电换能器机电等效模型 63

3.1 级联理论 64

3.2 p个晶片级联组合系统的机电等效图 66

3.3 前后盖板的机电等效图 68

3.4 Tonpilz压电换能器的机电等效图 72

3.5 频率方程 73

参考文献 75

4 弯张压电换能器的结构设计与发展 76

4.1 弯张换能器的结构发展 76

4.2 钹式换能器的发展与制作工艺 79

4.2.1 钹式换能器的研究现状与发展 79

4.2.2 钹式换能器的制作工艺 82

4.3 弯张换能器的典型应用 85

4.4 弯张换能器的设计与分析方法 86

参考文献 87

5 钹式换能器的有限元分析 89

5.1 ANSYS软件分析方法及过程 89

5.1.1 基本理论 89

5.1.2 物理实体模型 90

5.1.3 有限元离散模型 92

5.1.4 设定问题类型并求解 94

5.1.5 提取结果数据，获得特性参数 94

5.2 钹式换能器基本电声性能分析 96

5.2.1 共振频率 96

5.2.2 振动模态 97

5.2.3 电导纳特性 101

5.2.4 发射响应和接收灵敏度 103

5.2.5 指向性 104

5.3 材料参数对换能器性能的影响规律 105

5.3.1 压电材料对性能的影响 105

5.3.2 金属材料对性能的影响 108

5.4 加电方式对换能器性能的影响 110

5.5 结构参数对性能的影响规律 112

5.5.1 总体尺寸对性能的影响 113

5.5.2 径向尺寸对性能的影响 115

5.5.3 PZT厚度对性能的影响 117

5.5.4 黄铜片厚度对性能的影响 119

5.5.5 空腔厚度对性能的影响 121

参考文献 123

6 欧米伽型弯张压电换能器 125

6.1 欧米伽换能器的结构与能量表达式 125

6.1.1 欧米伽换能器的结构 125

6.1.2 圆锥薄壳的能量表达式 126

6.1.3 金属圆环、顶部金属圆片及陶瓷圆片的能量表达式 128

6.2 欧米伽换能器谐振频率的Rayleigh-Ritz解法 129

6.2.1 位移振型函数 129

6.2.2 几何边界条件 130

6.2.3 谐振频率和位移振型函数待定系数的求解 130

6.3 理论推广与实验对比 131

6.4 欧米伽换能器的有限元分析 136

6.4.1 空腔顶部半径对性能的影响 136

6.4.2 空腔高度对性能的影响 138

6.4.3 空腔底部半径对性能的影响 140

6.4.4 陶瓷片厚度对性能的影响 141

6.4.5 金属端帽厚度对性能的影响 143

6.5 与钹式换能器的对比 145

6.5.1 有限元模型 145

6.5.2 导纳特性对比 146

6.5.3 发射与接收响应对比 147

参考文献 150

7 压电超声马达 152

7.1 工作原理、分类和特点 152

7.1.1 驻波的形成 154

7.1.2 行波的形成 154

7.1.3 压电马达的性能特点 155

7.2 几种典型的压电马达 156

7.2.1 直线型行波压电马达 156

7.2.2 环形行波压电马达 157

7.2.3 多模态复合驻波型压电马达 157

7.3 压电马达的其他应用 158

7.3.1 精密机械 158

7.3.2 微机电系统 159

7.3.3 航空航天 159

7.4 压电马达的研究方向 160

7.4.1 基础理论与建模 160

7.4.2 功能材料 164

7.4.3 驱动与控制技术 165

参考文献 168

8 压电变压器 170

8.1 压电变压器的应用与发展 170

8.2 压电变压器工作原理 171

8.3 压电变压器的分类 172

8.3.1 厚度振动模式压电变压器 173

8.3.2 径向振动模式压电变压器 174

8.3.3 剪切振动模式压电变压器 175

8.4 等效电路及机电特性 176

参考文献 181

9 压电能量收集器 183

9.1 基于机电转换的能量收集技术 183

9.2 压电俘能结构的构成 185

9.2.1 压电材料 185

9.2.2 压电振子振动模式 186

9.2.3 其他结构形式 189

9.3 能量收集和存储电路 191

9.3.1 能量收集接口电路 191

9.3.2 能量收集存储技术 193

9.4 压电悬臂梁发电结构的理论模型 194

9.4.1 压电单晶片（Unimorph）悬臂梁结构动力学模型 194

9.4.2 压电双晶片（Bimorph）悬臂梁结构动力学模型 197

9.4.3 压电单晶片悬臂梁的数值分析 201

参考文献 204