ZHDA018 January 2026 ULC1001
5 压电式换能器仿真
表 5-4 中列出了 LCS 中使用的压电元件尺寸。
| 参数 | 单位 | 值 |
|---|---|---|
| Inner Diameter | mm | 15 |
| Outer Diameter | mm | 21 |
| 厚度 | mm | 1.5 |
LCS 中使用了 PZT8，表 5-2 中列出了其材料特性。该表还列出了其他常见的压电元件材料及其材料特性。
符号 | 说明 | 单位 | Navy Type VI (PZT 5H) | Navy Type I (PZT 4) | Navy Type II (PZT 5A) | Navy Type III (PZT 8) |
|---|---|---|---|---|---|---|
e1,rX | 相对介电常数 | 1 | 3244.97 | 1193.04 | 1795.99 | 1219.69 |
| e3,rX | 相对介电常数 | 1 | 3984.62 | 1325.63 | 1802.77 | 989.52 |
tan d (3X) | 电介质耗散因数 | 1 | 0.016 | 0.003 | 0.017 | 0.004 |
d31 | 压电式电荷常数 | C/N | -2.59e-10 | -1.28e-10 | -1.70e-10 | -1.14e-10 |
d33 | 压电式电荷常数 | C/N | 6.4e-10 | 3.28e-10 | 4.25e-10 | 2.75e-10 |
d15 | 压电式电荷常数 | C/N | 6.16e-10 | 3.27e-10 | 5.06e-10 | 4.03e-10 |
Qm,t | 机械品质因数 | 1 | 59 | 373 | 74 | 1088 |
p | 功率密度 | kg/m3 | 7780 | 7700 | 7700 | 7700 |
s11e | 合规性矩阵 | m2/N | 1.82e-11 | 1.30e-11 | 1.7e-11 | 1.26e-11 |
| s12e | 合规性矩阵 | m2/N | -7.76e-12 | -4.35e-12 | -6.6e-12 | -3.71e-12 |
| s13e | 合规性矩阵 | m2/N | -6.85e-12 | -7.05e-12 | -8.61e-12 | -6.6e-12 |
| s33e | 合规性矩阵 | m2/N | 1.8e-11 | 1.96e-11 | 2.32e-11 | 1.83e-11 |
s44e,s55e | 合规性矩阵 | m2/N | 3.8e-11 | 3.32e-11 | 4.35e-11 | 3.77e-11 |
s66e | 合规性矩阵 | m2/N | 5.2e-11 | 3.47e-11 | 4.71e-11 | 3.26e-11 |
换能器为环形，极化方向为顶部/底部。图 5-1 展示了 COMSOL 中的几何图。
图 5-1 COMSOL 中的换能器几何形状图 5-2 显示了坐标系选择，其中“材料 XZ 平面系”处于选中状态。
图 5-2 压电元件：坐标系选择在机械建模中，正确设置阻尼至关重要。包含两种类型的阻尼：机械阻尼和介电损耗。阻尼因子根据材料特性自动计算。图 5-3 和图 5-4 展示了 COMSOL 中压电元件的阻尼设置。
图 5-3 压电元件：机械阻尼与介电常数相关的损耗因子会根据压电元件材料的特性自动计算得出。
图 5-4 压电元件：电介质损耗压电电极位于压电元件的上下表面，因此我们将终端 2 和终端 3 指定为静电的两端。图 5-5 展示了终端选择的屏幕截图。
图 5-5 压电元件：终端选择通过进行频域研究，我们可以观察到 20kHz 至 700kHz 范围内的阻抗响应，如下面的图 5-6 所示。第一种模式发生在 59kHz 处，被识别为径向模式，在这种模式下，压电元件的内径和外径在保持恒定宽度的同时均匀变化。相比之下，525kHz 处的第二种模式表示厚度模式，其特征是厚度和宽度的变化。
图 5-6 压电式换能器的阻抗响应。