CN209476645U - 一种基于pmnt压电材料的轻型夹心式换能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，从顶部到底部依次设置有后盖板、两个压电片和前垫片，后盖板与压电片之间、两个压电片之间、压电片与前垫片之间均设置有电极片，前垫片中心设置有底座，后盖板、压电片、电极片和底座均设有同心圆孔，同心圆孔内壁设置有内螺纹，且各个同心圆孔相连构成衔接通道，后盖板上固定有外壳，且外壳围设在压电片和电极片的外侧面。本实用新型PMNT压电换能器在输出稳定、功率容量大的同时，还有体积小、质量轻、易于安装等优点，适合安装在飞机上进行除冰。
Description
技术领域
本实用新型涉及超声除冰技术领域，更具体的说是涉及一种厚度振动型PMNT压电换能器。
背景技术
随着航空技术的发展，飞机成为重要的出行、运输方式之一，飞行安全始终是航空领域的一个焦点问题。调查发现，飞机结冰是引发飞机失事和事故的重要原因之一，飞机积冰对飞行安全产生了巨大威胁，而现有的除冰方法在能耗、重量等方面表现不尽如人意，还存在着诸多亟需改进的地方，航空领域迫切需要找到一种具有突破性的、更加有效的除冰方法。而超声波除冰是一种新型的除冰方法，其除冰的基本原理是：当超声波在飞机蒙皮与冰层间传播时，由于传播介质的属性不同，会在蒙皮和冰的界面产生速度差，而该速度差会进一步产生界面剪切力。当所产生的界面剪切力超过冰与板的粘接强度时便能够将冰从蒙皮上除下。
超声波可以由压电换能器产生。压电换能器是利用压电材料的压电、逆压电效应将电能与机械能(声能)进行互换的器件。现有的换能器均不是以除冰为目的而设计的，因而在性能、体积、重量等方面难以令人满意。
通常情况下，基于压电材料的换能器包括弯曲振动模式换能器、夹心式厚度振动型换能器、扭转振动模式换能器等。
弯曲振动换能器最为常见的是板弯曲，其振动模式与鼓的简支边界振动较为接近，其基本原理是将两个极化方向相反的压电板粘在一起，当对该板施加交变电压时，上下板的伸缩变形会最终转化为该振子的弯曲振动。工程中通常会将金属片和压电陶瓷片一起构成振动板，直接作为声辐面。弯曲振动换能器具有体积小、重量轻等优点；但此种换能器由于其弯曲振子需要一定的振动空间，当振动声波经过空气再由空气进入板的过程中会出现反射、再反射等现象，在此过程中会有较大的能量损耗，使得真正传入板中的能量大大减小，因此粘在板面除冰时效果不明显，如图1(b)。
夹心式厚度振动型压电换能器是使用较多一种，其设计理论已趋于成熟，原理也最为简单：在一块沿厚度方向极化的压电片上下表面通过电极施加交变电压以后能够实现振动发声。实际工程中为了提高声辐射效率、超声波指向性、增加频带宽度等目的，会给压电片增加前辐射头、过渡层、背板吸波材料等部件。对于飞机除冰而言，采用厚度振动型的换能器能够很方便的安装以及取下，而且压电振子发出的能量通过固体与固体传播的方式直接进入板的内部，不会产生过多的超声能量损耗，如图1(a)。一般使用的夹心式厚度振动型换能器虽然输出稳定、功率容量大，但其在设计时为了增大前后振速比，采用了密度较大的后质量块，而且前质量块体积较大，因此换能器总重量较大，不适合装配到飞机上进行除冰。
因此，如何提供一种用于飞机除冰的夹心式厚度振动型压电换能器是本领域技术人员亟需解决的问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，在输出稳定、功率容量大的同时，还有体积小、质量轻、易于安装等优点，适合安装在飞机上进行除冰。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，从顶部到底部依次设置有后盖板、两个压电片和前垫片，所述后盖板与所述压电片之间、两个所述压电片之间、所述压电片与前垫片之间均设置有电极片，所述前垫片中心设置有底座，所述后盖板、所述压电片、所述电极片和所述底座均设有同心圆孔，且各个所述同心圆孔相连构成衔接通道，所述衔接通道内安装有螺栓，所述后盖板上固定有外壳，且所述外壳围设在所述压电片和所述电极片的外侧面。
进一步，两个压电片厚度m1相等，均为2.9㎜-3.1㎜，且采用PMNT压电材料，所述压电片的外半径R1为13㎜-16㎜，内半径r1为3.6㎜-3.8㎜。
进一步，所述前垫片的外半径以及内半径均与所述压电片相等。
进一步，所述电极片的厚度m2为0.2㎜，且选用黄铜，其中，两个所述压电片之间的黄铜为正电极，所述后盖板与所述压电片之间、所述压电片与所述前垫片之间的黄铜均为负电极。
进一步，所述螺栓包括螺钉和螺杆，所述螺钉和所述螺杆的外壁均分布有外螺纹，所述后盖板和所述底座对应的同心圆孔内壁均设置有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹匹配，且所述螺钉固定在所述后盖板上，所述螺杆固定在所述底座上，所述螺钉的半径r2为所述压电片的外半径R1的1/4-1/3，所述外螺纹的螺距为0.3㎜-0.5㎜。
进一步，所述外壳的厚度m3为0.4㎜-0.6㎜，且选用环氧塑料。
进一步，所述电极片与所述后盖板、所述压电片和所述前垫片之间均通过环氧树脂胶进行粘结。
进一步，所述后盖板采用钢材质，中间部位的厚度为1.8㎜-2.2㎜。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，具有以下优点：
1、该换能器的设计着眼于飞机除冰的需要，在继承夹心式厚度振动型换能器输出稳定、功率容量大等设计优点的同时将后质量块和前辐射头进行重新设计，用底座和蒙皮充当前质量块，后盖板充当后质量块，将夹心式厚度振动型换能器最重的两部分去掉，因此换能器的质量大大减小。
2、当打开超声电源时，由压电片振动产生的声波通过前垫片直接进入蒙皮内部，超声能量的损耗大大减少。
3、所设计的压电换能器采用了PMNT材料，性能优异，选用了更薄的压电片，并且工作频率高，因此功率变大，换能器的功率为125.5W，比一般所用的PZT-4换能器(一般为60W)的功率高，在相同时间内可除掉更大面积的冰。
4、该换能器易于加工，易于装配，易于安装，有巨大应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为压电换能器超声传播情况，其中图1(a)为厚度振动型压电换能器超声传播情况，图1(b)为弯曲振动换能器超声传播情况，图中箭头方向为超声波传播方向。
图2附图为本实用新型提供的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器结构示意图。
图3附图为本实用新型提供的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器立体图。
图4附图为本实用新型提供的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器尺寸示意图。
图5附图为本实用新型提供的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器除冰模型。
图6附图为本实用新型提供的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器激励作用下点的应力幅值随频率变化图。
图7附图为本实用新型提供的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器在最佳频率激励下板冰界面XY剪应力分布图。
图8附图为本实用新型提供的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器与传统夹心式压电换能器结构对比图。
其中，各部件表示：
1、后盖板，2、压电片，3、前垫片，4、电极片，5、底座，6、外壳，7、螺栓，71、螺钉，72、螺杆。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型实施例公开了一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，参见附图2和图3，从顶部到底部依次设置有后盖板1、两个压电片2和前垫片3，后盖板1与压电片2之间、两个压电片2之间、压电片2与前垫片3之间均设置有电极片4，前垫片3中心设置有底座5，后盖板1、压电片2、电极片4和底座5均设有同心圆孔，且各个同心圆孔相连构成衔接通道，衔接通道内安装有螺栓7，螺栓7包括螺钉71和螺杆72，螺钉71和螺杆72的外壁均分布有外螺纹，后盖板1和底座5对应的同心圆孔内壁均设置有内螺纹,外螺纹与内螺纹匹配，其中，螺钉71固定在后盖板1，螺杆72固定在底座5上，后盖板1通过胶黏固定有外壳6，且外壳6围设在压电片2和电极片4的外侧面。
压电片2往往决定了换能器的功率，为取得更好的除冰效果，压电片2的材料选用PMNT压电材料，该材料的压电系数可达到1500-2000pC/N，是传统的PZT-4压电陶瓷材料的6.5倍、机电耦合系数在0.9以上，应变量达到1.7％。压电系数、机电转换效率和应变量大有优势；对于径向尺寸较大的换能器,将压电陶瓷元件的直径设置为小于声波波长的1/4，可以避免换能器的纵向共振频率与其他元器件径向振动耦合，保证换能器的效率，所以，将压电片2的外半径R1设置为13㎜-16㎜。内半径r1为了避免与螺栓7接触产生导电或者摩擦等，其值略微大于螺钉71的半径，取值为3.6㎜-3.8㎜，压电片的厚度m1取值为2.9㎜-3.1㎜。
电极片4在本结构中采用厚度m2为0.2mm的黄铜，经过精细打磨后作为电极。其中，位于两个压电片2之间的黄铜作为正电极，位于其中一个压电片2与后盖板1之间、另一个压电片2与前垫片3之间的黄铜作为负电极。正电极绝缘于使用过程中能够碰到的地方，使用电更安全。同时，为了尽量提高超声波在换能器内部传输时的效率，除了采用螺钉71施加预紧力的连接方式，在电极片4和压电片2、电极片4和后盖板1、电极片4和前垫片3之间用环氧树脂胶进行粘接，良好的粘接效果同时满足机械性能的使用要求，也具有优良的超声波传播性能。
后盖板1的主要功能是在螺栓7和底座5的连接下对压电片2施加反作用力。选择刚度较大制造较为容易的钢作为后盖板材料，后盖板1中间部位厚度为1.8㎜-2.2㎜，即后盖板1最厚部位的厚度，并通过4条肋增强其刚度，保证在振动过程中与晶片接触的面保持平整，防止压电片2破裂，后盖板1选用密度较大的钢一方面能够增大换能器前后振速比，同时也能减小后盖板1的超声波能量辐射。
预应力螺钉71的横截面尺寸选取为压电片2外半径的1/4到1/3，且略微小于压电片2内半径，保证螺栓7在压电片2振动过程中的机械强度。并且在能够实现的情况下，螺距越细越好，螺距越细，意味着螺栓7受预应力将更加均匀，机械性能也将会更好。同时，细螺距的螺杆72更能很好的控制预紧力的加载，而且能够保证压电片2与金属盖板之间预紧力更均匀，这样的应力效果能够给整个换能器带来较高的机械品质因数，同时还能降低机械损耗。结合螺纹标准，螺杆和螺钉的外螺纹螺距均设置为0.3mm-0.5mm。
前垫片3的主要作用是保护压电片2。当换能器压电片2直接与铝板(飞机蒙皮)接触时，容易因为铝板表面不光滑而碎裂。同时，本发明压电片2振动产生的声波通过前垫片3直接进入蒙皮内部，超声能量的损耗大大减少。前垫片3采用密度较小、声速较高的铝合金。外半径和内半径均与压电片2一样。
换能器的外壳6主要是防护作用。第一，隔绝正电极，保护使用者在使用过程中的安全。第二，可以保护压电片被划伤或者堆积灰尘等。外壳选用厚度m3为0.4㎜-0.6㎜的环氧塑料，轻质、便宜、易于制造。
底座5与前垫片3胶黏固定，且底座5用于固定螺杆72。
本实用新型的工作原理如下：通过电极片2对换能器施加电压，利用压电片的逆压电效应产生振动，进而产生超声波。
实施例1：换能器包括有后盖板1、压电片2、前垫片3、电极片4、圆形底座5、外壳6、螺栓7等构件，两片相同厚度的压电片2之间覆有电极片4，两个压电片2分别与前垫片3、后盖板1相连，前垫片3中间有圆形底座5，圆形底座5上胶黏固定有外壳6，且两个压电片2和电极片4周围被外壳6所包围，后盖板1、压电片2、电极片4、圆形底座5均设同心圆孔，各个同心圆孔相连构成衔接通道，衔接通道内安有预应力调节螺栓。
附图4所示，其中，换能器总厚度m为10.4㎜，换能器外半径R2为16㎜。后盖板1最厚厚度为2㎜，并通过四条肋加强其刚度；两个压电片2厚度m1相等，均为3㎜，且采用PMNT压电材料，压电片2的外半径R1为15㎜，内半径r1为3.8㎜；前垫片3的外半径以及内半径均与压电片2相等，分别为15㎜、3.8㎜；电极片4采用厚度m2为0.2㎜的黄铜，两个压电片2之间的黄铜为正电极，后盖板1与压电片2之间、压电片2与前垫片3之间的黄铜均为负电极；底座5半径r3为6㎜；外壳6选用厚度m3为0.5㎜的环氧塑料；螺栓7包括螺钉71和螺杆72，其中，螺钉71的半径r2设置为压电片2的外半径R1的1/4。
用有限元模拟以验证所设计的换能器是否能将板背面的冰除下。将本实用新型换能器的板冰模型进行必要的简化，简化后的换能器及板冰模型如图5所示。
(1)材料属性
PMNT压电陶瓷的材料属性为：材料密度：8093kg/m3，PMNT介电常数矩阵
PMNT刚度矩阵
PMNT压电矩阵
用于模拟飞机蒙皮的铝板以及冰层的尺寸均为300mm×210mm×2mm，材料参数如表1。
表1铝板于覆冰材料属性
(2)边界条件
换能器在板上的安装距离可由公式确定，这里取d＝150mm，螺栓底端与金属板采用粘接约束。两压电片中间界面施加100V电压同时两端施加0V电压。这代表进行频谱分析时，会在压电片上产生交变电压。金属板采用四边固支的方式用于模拟飞机蒙皮的铆接形式，金属板指的是模拟飞机蒙皮的一块板子。
(3)计算分析
先对整个除冰结构进行谐振分析。为了找到最佳的除冰频率，在板冰界面处随机选择了几个点，输出其XY剪应力和频率的关系，如图6所示。从图中不难得出，在该换能器激励下，除冰的最佳频率为92.0kHz。
在最佳频率92.0kHz激励下，板冰界面的剪应力分布如图7所示。由该实验数据可知，积冰与不同粗糙度的铝板之间的剪切强度绝大多数情况处于0.15MPa到0.4MPa之间。为了使得研究对象更加具有一般性，认为蒙皮铝板与积冰的剪切强度为0.3MPa左右。由图中可以看出，板冰界面间的剪应力绝大部分区域的绝对值均大于2MPa，结合图6中随机选的几个点最大应力分别为2.93MPa、4.12MPa、10.12MPa、8.76MPa的结果，可以得出结论，该换能器能够将给定板面的冰除下。
(4)换能器功率计算
换能器压电材料的电流可以通过以下公式计算
I＝2πf*C*V
其中，C为压电材料本身的电容，f为除冰时所选的频率，由上述计算仿真可以得出，最佳频率为92.0kHz，V为电路施加的电压峰值，这里取值为141V，压电片的电容可由实验直接测量或者也可由如下公式确定：
C＝εTε0S/d
其中εT为压电片的介电常数，取值为5569，ε0为真空介电常数8.85×10-12F/m，d为压电片的厚度,取值为3mm。S为压电片的正对面积，取值为661mm2，经计算可得本实用新型中压电片的电容为10.9nF，电流I为0.89A。
故所设计的换能器的功率求出为125.5W，比一般的PZT-4换能器的功率(60W)要高，这一方面是所用压电材料的介电属性不同、压电片大小不同，另一方面还与其工作频率相关。本实用新型设计的换能器采用了PMNT压电材料，选用了更薄的压电片，而且工作频率也较高，因此功率会变大。而功率大的换能器意味着功率密度更高，用于飞机除冰则意味着可以用更短的时间完成除冰任务，或者在相同的时间里可除掉更大面积的冰。
(5)性能对比分析
将所设计的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器和PZT夹心式换能器作对比。如图8所示。右侧PZT夹心换能器，该换能器现在常用于超声清洗，制作简单，造价便宜，有着优良的除冰性能。但是该换能器结构较重，体积也相对较大，若应用到实际的飞机除冰中会给飞机增加较大的质量。这会使得其在航空领域的应用大大受限。左侧则是本实用新型基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器。在性能分析结果中可知，本实用新型换能器能够在板冰界面间产生足够的剪应力，因此也能很好的达到除冰的目的。从结构图中可以看出本实用新型换能器在体积上相比PZT小很多，最大高度和最大半径都明显减小，重量也随之减小，这对于航空的轻型化设计是非常重要的。而且该换能器再设计之初就考虑到易于加工、易于装配、易于安装等要求，因此具有巨大的应用前景。两个换能器的重量和尺寸参数如表2列出。
表2 PMNT压电换能器和PZT夹心式换能器结构参数对比
由上面对比表可以看出，在同样能够达到除冰目的的前提下，所设计的基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器的重量仅为PZT夹心式换能器的13％，最大高度不到其20％。重量和体积上都大大减小，但是却能够保证除冰所需要的功率。对于整个飞机而言，整机除冰需要采用大量的换能器，因而采用高功率密度的换能器十分有必要。每一个换能器减重超过80％的减重效果对于推进超声除冰技术的应用具有重大意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，从顶部到底部依次设置有后盖板(1)、两个压电片(2)和前垫片(3)，所述后盖板(1)与所述压电片(2)之间、两个所述压电片(2)之间、所述压电片(2)与前垫片(3)之间均设置有电极片(4)，所述前垫片(3)中心设置有底座(5)，所述后盖板(1)、所述压电片(2)、所述电极片(4)和所述底座(5)均设有同心圆孔，且各个所述同心圆孔相连构成衔接通道，所述衔接通道内安装有螺栓(7)，所述后盖板(1)上固定有外壳(6)，且所述外壳(6)围设在所述压电片(2)和所述电极片(4)的外侧面。
2.根据权利要求1所述的一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，两个压电片(2)厚度m1相等，均为2.9㎜-3.1㎜，且采用PMNT压电材料，所述压电片(2)的外半径R1为13㎜-16㎜，内半径r1为3.6㎜-3.8㎜。
3.根据权利要求2所述的一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，所述前垫片(3)的外半径以及内半径均与所述压电片(2)相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，所述电极片(4)的厚度m2为0.2㎜，且选用黄铜，其中，两个所述压电片(2)之间的黄铜为正电极，所述后盖板(1)与所述压电片(2)之间、所述压电片(2)与所述前垫片(3)之间的黄铜均为负电极。
5.根据权利要求1所述的一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，所述螺栓(7)包括螺钉(71)和螺杆(72)，所述螺钉(71)和所述螺杆(72)的外壁均分布有外螺纹，所述后盖板(1)和所述底座(5)对应的同心圆孔内壁均设置有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹匹配，且所述螺钉(71)固定在所述后盖板(1)上，所述螺杆(72)固定在所述底座(5)上，所述螺钉(71)的半径r2为所述压电片(2)的外半径R1的1/4-1/3，所述外螺纹的螺距为0.3㎜-0.5㎜。
6.根据权利要求1所述的一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，所述外壳(6)的厚度m3为0.4㎜-0.6㎜，且选用环氧塑料。
7.根据权利要求1所述的一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，所述电极片(4)与所述后盖板(1)、所述压电片(2)和所述前垫片(3)之间均通过环氧树脂胶进行粘结。
8.根据权利要求1所述的一种基于PMNT压电材料的轻型夹心式换能器，其特征在于，所述后盖板(1)采用钢材质，中间部位的厚度为1.8㎜-2.2㎜。
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