磁場(chǎng)調(diào)控壓電-磁致伸縮復(fù)合振子機(jī)電共振頻率研究.pdf

1、壓電換能器通常采用固定機(jī)電共振頻率的設(shè)計(jì)方法，但是在換能器長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于受到溫度等環(huán)境因素的影響，換能器機(jī)電共振頻率往往會(huì)發(fā)生改變，使換能器的機(jī)電共振頻率遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)的工作頻率，從而影響換能器的輸出效率。并且，當(dāng)要求不同的工作頻率時(shí)，須重新設(shè)計(jì)新的換能器。本文提出一種利用磁場(chǎng)調(diào)控壓電振子機(jī)電共振頻率的方法，該方法基于磁電復(fù)合材料的磁-力-電耦合效應(yīng)，將壓電振子與磁致伸縮材料構(gòu)成磁電復(fù)合材料，在單一直流磁場(chǎng)作用下，由于磁電耦合作用，使壓

2、電體的機(jī)電共振頻率發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)壓電振子諧振頻率的磁場(chǎng)調(diào)控，為可控頻率的壓電換能器提供新的研究思路。
　　本文基于磁致伸縮材料的ΔE效應(yīng)，利用磁電復(fù)合材料的有效彈性模量隨磁場(chǎng)變化，使其機(jī)電共振頻率發(fā)生偏移的思想。采用彈性力學(xué)的方法，利用磁致伸縮和壓電體的本構(gòu)方程，數(shù)值計(jì)算壓電體電容（介電常數(shù)）與磁場(chǎng)、頻率的函數(shù)關(guān)系，并以此模擬機(jī)電共振頻率隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系。
　　磁電復(fù)合材料是將壓電材料和磁致伸縮材料以某種方式復(fù)合，在磁致伸縮

3、和壓電效應(yīng)共同作用下，利用界面將磁致伸縮產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞給壓電體，實(shí)現(xiàn)磁電性能的乘積耦合。目前磁電耦合的結(jié)構(gòu)研究中，以層狀的磁電復(fù)合材料居多，層狀復(fù)合的壓電相和磁致伸縮相之間的作用是通過(guò)剪切應(yīng)力耦合，本文選用條-環(huán)狀磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，壓電相和磁致伸縮相之間的作用是通過(guò)正應(yīng)力耦合，并且發(fā)揮了磁致伸縮相的“跳躍”效應(yīng)，使其磁控諧振頻率偏移的磁場(chǎng)顯著降低，提高了磁調(diào)控諧振頻率的靈敏度。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)由環(huán)形壓電振子(PZT)與條

4、狀磁致伸縮(TDF)構(gòu)成磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，由壓磁、壓電本構(gòu)方程、彈性動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)邊界條件，建立磁場(chǎng)調(diào)控壓電振子電容理論模型，其中磁致伸縮相彈性柔順系數(shù)隨磁場(chǎng)變化是考慮磁調(diào)控機(jī)電共振的關(guān)鍵。應(yīng)用磁致伸縮的“跳躍效應(yīng)”數(shù)值模擬了材料電容、頻率與外磁場(chǎng)的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)研究了磁調(diào)控機(jī)電共振頻率偏移規(guī)律。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)顯示磁調(diào)諧的靈敏度分別為45 Hz/Oe（低頻）和133Hz/Oe（高頻）。
　　(2)在上述理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上