附录 H — 叠堆螺栓对机电耦合系数 κ 的影响

\( \newtagform{H}{(H}{)} % Modify content within last 2 brace sets { } \usetagform{H} % Should = same as first brace in newtagform{ } \seteqnumber{1} % Starting eqn number \)

当陶瓷由叠堆螺栓施加预应力时,机电耦合系数 \( kappa \) 会降低,因为叠堆螺栓的刚度会抑制陶瓷的正常膨胀或收缩。本附录推导这一关系。(注:在本讨论中,"叠堆螺栓"指对陶瓷叠堆施加预应力的任何手段,包括中心叠堆螺栓周边叠堆螺栓周边壳体。)

一般性讨论见换能器设计 — 叠堆螺栓

考虑由 \( n \) 片相同介电陶瓷组成的叠堆,夹在两块平行的刚性无质量压板之间。当对每片陶瓷施加直流电压 \( V \) 时,能量传递到陶瓷为其电容充电。总"电容能量"为 —

\begin{align} \label{eq:10028a} \widehat{W}_c &= n \, \left( \small\frac{1}{2} \, C \, V^2 \right) \end{align}

其中 —

\( \widehat{W}_c \) = 电容能量 [库仑-伏特或焦耳]
\( C \) = 单片陶瓷的电容 [库仑/伏特或法拉]
\( V \) = 电压 [伏特]
\( n \) = 陶瓷片数

如果陶瓷还具有压电特性,则会传递额外的能量,使陶瓷膨胀或收缩;这正是将所施加电能转化为机械(应变)能的期望效应。该应变能为 —

\begin{align} \label{eq:10027a} \widehat{W}_k &= \small\frac{1}{2} \, k \, U^2 \end{align}

其中 —

\( \widehat{W}_k \) = 应变能 [N-m 或焦耳]
\( k \) = 陶瓷叠堆的刚度 [N/m]
\( U \) = 电压 \( V \) [m] 引起的陶瓷叠堆位移

如果存在叠堆螺栓且同样连接在两块压板之间,则刚度 \( k \) 包含陶瓷 \( k_c \) 与叠堆螺栓 \( k_s \) 的组合刚度。

机电耦合系数 \( \kappa \)(kappa)由 Waanders (1) 第 12 页给出为 —

\begin{align} \label{eq:10026a} \kappa^2 &= {\left[\frac{\textsf{Energy converted}}{\textsf{Energy input}} \right]}_{\textsf {Low frequency}} \end{align}

注意"低频"的要求,即测量频率远低于器件的谐振频率。在此条件下,速度引起的惯性能量与变形引起的应变能相比可以忽略。由于 \( \kappa \) 是两个能量之比,\( \kappa \) 必定是无量纲的。

在陶瓷叠堆由外加电压激励的情形下,"Energy converted" (被转换的能量)是从电的形式转换为机械形式的能量。因此,方程 \eqref{eq:10026a} 的分子正是方程 \eqref{eq:10027a} 的应变能 \( \widehat{W}_k \)。分母是总输入(系统)能量(即 \( \widehat{W}_c \)\( \widehat{W}_k \) 的能量之和)。于是,方程 \eqref{eq:10026a} 可写为 —

\begin{align} \label{eq:10029a} \kappa^2 &=\cfrac{\widehat{W}_k}{\widehat{W}_c + \widehat{W}_k} \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \cfrac{1}{\left( \cfrac{\widehat{W}_c}{\widehat{W}_k} \right) +1} \nonumber \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \cfrac{1}{\left( \cfrac{n \, C}{k} \right) {\left( \cfrac{V}{U} \right)}^2 +1} \nonumber \end{align}

方程 \eqref{eq:10029a} 是完全通用的。下面将其分别应用于无叠堆螺栓(情形 1)和有叠堆螺栓(情形 2)的情况。

情形 1 — 无叠堆螺栓

在方程 \eqref{eq:10029a} 中赋予下标 1,以表示无叠堆螺栓 —

\begin{align} \label{eq:10030a} {\kappa_1}^2 &= \frac{1}{{\left(\Large\frac{n \, C}{k_1}\right) } \left(\Large\frac{V}{U_1} \right)^2 +1} \end{align}

由于没有叠堆螺栓,这里的 \( k_1 \) 仅为陶瓷叠堆自身的刚度。为方便起见,将其记为 \( k_c \)

求解 \( \left(\frac{V}{U_1}\right)^2 \)(供后面使用)—

\begin{align} \label{eq:10031a} \left(\frac{V}{U_1} \right)^2= \frac{\Large{\frac{1}{{\kappa_1}^2}} -1}{\left(\Large\frac{n \, C}{k_c}\right) } \end{align}

\( \kappa \) 对试验参数的依赖关系

看起来方程 \eqref{eq:10030a} 给出的 \( \kappa \) 似乎取决于特定的试验参数(例如 \( C \)\( k_c \),二者都取决于陶瓷尺寸,还有 \( n \)\( V \)\( U \))。然而实际上,\( \kappa \) 只取决于陶瓷的机电特性,如下所证。

考察方程 \eqref{eq:10030a} 中的各参数与陶瓷尺寸的关系(由此得到下面的方程 \eqref{eq:10031b}、\eqref{eq:10031c} 和 \eqref{eq:10031d})。


考察 \( C \)

\begin{align} \label{eq:10031b} C &= {\frac{\varepsilon \, A_c}{h_c}} \end{align}

其中 —

\( \varepsilon \) = 陶瓷介电常数 [(库仑/伏特)/m]
\( A_c \) = 陶瓷的横截面积(即单片陶瓷平面的面积)[m²]
\( h_c \) = 每片陶瓷的高度(厚度)[m]


考察 \( k_c \)

\begin{align} \label{eq:10031c} k_c &= {\left( \frac{1}{n} \right) \left( \frac{Y_c \, A_c}{h_c}\right)} \end{align}

其中 —

\( Y_c \) = 陶瓷的杨氏模量


考察 \( \frac{V}{U_1} \)

\begin{align} \label{eq:10031d} \frac{V}{U_1} &= \frac{V / h_c}{U_1 / h_c} \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \frac{V / h_c}{n \, \left[ \left(U_1/n \right) / h_c \right]} \nonumber \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \frac{E}{n \, \epsilon} \nonumber \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \frac{1}{n \, (\epsilon / E)} \nonumber \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \frac{1}{n \, d_{33}} \nonumber \end{align}

其中 —

\( E \) = 电场强度 [v/m]
\( \epsilon \) = 每片陶瓷中的应变 [v/m]
\( d_{33} \) = 压电应变常数 [m/v] 或电荷常数 [Coulonb/N]

在方程 \eqref{eq:10031d} 中,注意 \( U_1 \) 是所有陶瓷(即整个陶瓷叠堆)的总位移。因此,\( U_1/n \) 是单片陶瓷的位移,\( (U_1/n)/h_c \) 便是单片陶瓷中的应变 \( \epsilon \)。于是,该应变 \( \epsilon \) 除以电场强度 \( E \) 正是压电应变常数 \( d_{33} \)

现在,将方程 \eqref{eq:10031b}、\eqref{eq:10031c} 和 \eqref{eq:10031d} 代入 \eqref{eq:10030a},得到 —

\begin{align} \label{eq:10031e} {\kappa_1}^2 &= \frac{1}{{\left(\Large\frac{\varepsilon}{Y}\right) } \left(\Large\frac{1}{d_{33}} \right)^2 +1} \end{align}

因此,当无螺栓时,机电耦合 \( \kappa_1 \) 只取决于陶瓷的特性,而与陶瓷片数或试验的其他参数无关。不过应当注意,陶瓷的某些"特性"取决于电学和力学边界条件。

如上所述,机电耦合系数 \( \kappa \) 是能量之比,因此应是无量纲的。于是 \eqref{eq:10031e} 的右边也应是无量纲的。对 \eqref{eq:10031e} 分母中的变量进行量纲分析,得到 —

\begin{align} \label{eq:10031f} \left( \frac {\left( \frac{coulomb/volt}{m} \right)} {\left( \frac{N}{m^2} \right)} \right) \left(\frac{1}{volt/m} \right)^2 = \frac{coulomb \, volt}{N \, m} = \frac{joule}{joule} = dimensionless \end{align}

情形 2 — 有叠堆螺栓

在方程 \eqref{eq:10029a} 中赋予下标 2,以表示有叠堆螺栓 —

\begin{align} \label{eq:10032a} {\kappa_2}^2 &= \frac{1}{{\left(\Large\frac{C}{k_2}\right) } \left(\Large\frac{V}{U_2} \right)^2 +1} \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \frac{1}{{\left(\Large\frac{C}{k_2}\right) } \left(\Large\frac{V}{U_1} \right)^2 \left(\Large\frac{U_1}{U_2} \right)^2 +1} \nonumber \end{align}

\( k_2 \) 是叠堆总刚度。由于陶瓷与螺栓在力学上是并联的,\( k_2 \) 就等于陶瓷刚度加上螺栓刚度 —

\begin{align} \label{eq:10032b} k_2 = k_c + k_b \end{align}

其中 —

\( k_2 \) = 叠堆总刚度 [N/m]
\( k_c \) = 陶瓷总刚度 [N/m]
\( k_b \) = 螺栓轴向刚度 [N/m]

于是方程 \eqref{eq:10032a} 变为  —

\begin{align} \label{eq:10032c} {\kappa_2}^2 &= \frac{1}{{\left(\Large\frac{C}{k_c \, + \, k_b}\right) } \left(\Large\frac{V}{U_1} \right)^2 \left(\Large\frac{U_1}{U_2} \right)^2 +1} \end{align}

对于给定的陶瓷构型,叠堆位移 \( U \) 与叠堆刚度成反比。因此,一般有 —

\begin{align} \label{eq:10033a} U \,\propto \, \frac{1}{k} \end{align}

于是,无叠堆螺栓时的相对位移 \( U_1 \) 与有叠堆螺栓时的相对位移 \( U_2 \) 可用刚度表示为 —

\begin{align} \label{eq:10034a} \frac{U_1}{U_2} &= \frac{k_2}{k_1} \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \frac{k_c \, + \, k_b}{k_c} \nonumber \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= \frac{k_b}{k_c} + 1 \nonumber \end{align}

将方程 \eqref{eq:10031a} 和 \eqref{eq:10034a} 代入方程 \eqref{eq:10032c} 并化简,得到 —

\begin{align} \label{eq:10037a} {\kappa_2}^2 &= \frac{1}{ \left({\Large\frac{1}{{\kappa_1}^2}} -1 \right) \left({\Large\frac{k_b}{k_c}} +1\right) +1} \end{align}

其中(最终)—

\( \kappa_2 \) = 有叠堆螺栓时的压电耦合系数
\( \kappa_1 \) = 无叠堆螺栓时的压电耦合系数

Berlincourt[3](第 269 页尾注 9,在第 249 页被引用)针对重质量负载换能器给出了相同的方程,只是记号略有不同并做了一些整理。(理想的重质量负载换能器是指陶瓷居中、且陶瓷体积与两个端部质量块相比很小的换能器,两个端部质量块被假定为无限刚性(即无应变)。于是当换能器在谐振状态振动时,陶瓷和叠堆螺栓承受近乎均匀的应变。这种均匀应变与此处对静态加载所作的假定相同。)

质量负载的 Langevin 超声换能器
图 1. 质量负载的 Langevin 换能器(Berlincourt[3],第 249 页)

如果没有螺栓(即 \( k_b = 0 \)),则 \( \kappa_2 = \kappa_1 \),与预期一致。随着螺栓刚度 \( k_b \) 增大,\( \kappa_2 \) 逐渐降低到 \( \kappa_1 \) 以下。 如果螺栓刚度 \( k_b \) (理论上)变为无穷大,则 \( \kappa_2 \) 为零。这是因为无论施加多大电压,叠堆都被螺栓约束而无法产生任何膨胀。于是,所有外加电压都用于给陶瓷充电,而不会引起陶瓷的任何膨胀。

对于陶瓷叠堆的每个组成部分,刚度可用该部分的模量和尺寸表示 —

\begin{align} \label{eq:10038a} k &= Y A / h \end{align}

其中 —

\( Y \) = 杨氏模量
\( A \) = 横截面积
\( h \) = 部件的高度(长度)

因此,用实际的陶瓷和螺栓参数表示,方程 \eqref{eq:10037a} 可写为 —

\begin{align} \label{eq:10039a} {\kappa_2}^2 &= \frac{1}{ \left({\Large\frac{1}{{\kappa_1}^2}} -1 \right) \left({\Large\frac{Y_b \, A_b \, / \, h_b}{Y_c \, A_c \,/ \, (n \, h_c)}} +1\right) +1} \end{align}

其中 —

\( Y_b \) = 螺栓的杨氏模量
\( A_b \) = 螺栓杆部的横截面积
\( h_b \) = 螺栓的长度
\( Y_c \) = 陶瓷的杨氏模量
\( A_c \) = 陶瓷的横截面积(即单片陶瓷平面的面积)
\( h_c \) = 单片陶瓷的高度(厚度)
\( n \) = 陶瓷片数

注意,\( n \, h_c \) 就是陶瓷叠堆的总高度。还应注意,\( h_b \) 可以长于 \( n \, h_c \),这并不违反上述推导的前提条件。