附录 G:理解压电参数

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目录

  • 插图
    • 图 1. 压电陶瓷 — 力与位移的关系
    • 图 2. 压电陶瓷 — 应力与应变的关系
    • 图 3. 压缩气体 —(A)绝热、(B)等温
    • 图 4. 压缩气体 — 绝热与等温对比
    • 图 5. 带有六片压电陶瓷的 20 kHz 工业换能器(33 模式)
    • 图 6. 20 kHz 换能器的频率响应阻抗图
    • 图 7. 谐振时的最大机械功率输出
    • 图 8. 电场强度对压电陶瓷介电常数的影响
  • 表格
    • 表 1. 压电符号
    • 表 2. 材料参数
    • 表 3. 约束
    • 表 4. 压电常数
    • 表 5. 压电常数
    • 表 6. 单片压电陶瓷的机电耦合系数 \( \kappa \)
    • 表 7. 换能器损耗对 \( \kappa_{eff} \) 的影响

本附录介绍各种压电参数与常数之间的关系,以及机械和电学边界条件对这些参数的影响。

注 —

  1. 以下讨论使用压电文献中常见的符号。这些符号与弹性力学中传统使用的符号不同。
  2. 表 G1. 压电符号
    名称 传统符号 压电符号
    应力 \( \sigma \) \( T \)
    应变 \( \epsilon \) \( S \)
    杨氏模量 \( E \) \( Y \)
  3. 下面的公式通常用单个符号来表示陶瓷的某一特性。然而实际上,该符号往往代表一个属性常数矩阵。例如,弹性柔度用 \( s \) 表示,它实际上是矩阵 —
  4. \begin{align} \label{eq:10001b} \nonumber s = \left[ \begin{matrix} s_ {11} &s_ {12} &s_ {13} &0 &0 &0 \\ s_ {21} &s_ {22} &s_ {23} &0 &0 &0 \\ s_ {31} &s_ {32} &s_ {33} &0 &0 &0 \\ 0 &0 &0 &s_ {44} &0 &0 \\ 0 &0 &0 &0 &s_ {55} &0 \\ 0 &0 &0 &0 &0 &s_ {66} \\ \end{matrix} \right] \end{align}

    为避免处理此类矩阵带来的复杂性,且不失一般性,以下假设所有应力均为单轴应力(即不存在横向应力或剪切应力),并假设压电材料为各向同性。(事实上,压电陶瓷可能具有很强的各向异性。例如,Piezo Technologies(第 6 页)指出:"径向声速通常比轴向声速高 20% 到 30%。")

  5. 下面的公式假设为线性行为,这在低驱动电平下成立。然而,陶瓷在高驱动电平下会呈现非线性行为;尽管如此,这些公式仍可为各参数之间的关系提供指导。

基本压电关系

所有固体在受到外力作用时都会发生变形。应变 \( S \) 与应力 \( T \) 之间的关系为 —

\begin{align} \label{eq:10001a} S &= s \,T \end{align}

式中 \( s \)(小写)为材料的柔度(杨氏模量的倒数)。该公式假设 \( S \)\( T \) 之间为线性关系,至少在所关注的范围内如此。后续所有公式都将假设这种线性关系。

如果材料是电介质(如电容器),则面电荷密度 \( D \) 与所加电场 \( E \) 之间的关系为 —

\begin{align} \label{eq:10002a} D &= \varepsilon \,E \end{align}

式中 \( \varepsilon \) 为材料的介电常数。上述参数汇总于表 G2。

表 G2. 材料参数
参数 符号 单位
应力 \( T \) Pa
应变 \( S \) 无单位
电场强度 \( E \) volts/m
电位移 \( D \) coulomb/m²
柔度 \( s \) 1/Pa
介电常数 \( \varepsilon \)

Coulomb/m2

     volt/m
= Farad/m

注意,公式 \eqref{eq:10001a} 和 \eqref{eq:10002a} 不涉及任何压电效应(即公式 \eqref{eq:10001a} 的机械效应与公式 \eqref{eq:10002a} 的电学效应之间没有相互作用)。然而,如果材料具有压电性,则必须在每个公式中添加一个附加项来表征压电效应。对于逆压电效应(电场使材料产生应变),必须在公式 \eqref{eq:10001a} 中添加 \( d^T E \) 项。

\begin{align} \label{eq:10003a} S &= s^E \,T + d^T \,E \end{align}

式中 \( d \) 为压电电荷常数(见表 G4)(表示约束的上标将在下文解释)。加入电荷常数 \( d^T \) 后,即使应力 \( T \) 为零,应变 \( S \) 也可以不为零(由电场 \( E \) 引起)。

另一种与之互补的压电效应是:外部应力使压电材料中积累电荷。(这就是正压电效应,最早由居里夫妇研究。)为表征该效应,必须在公式 \eqref{eq:10002a} 中添加 \( d^E T \) 项。

\begin{align} \label{eq:10004a} D &= \varepsilon^T \,E + d^E \,T \end{align}

式中 \( d \) 同样是压电电荷常数。加入电荷常数 \( d^E \) 后,即使电场 \( E \) 为零,电荷 \( D \) 也可以不为零(由应力 \( T \) 引起)。

注意,如果 \( d \) = 0(即材料不具有压电性),则公式 \eqref{eq:10003a} 和 \eqref{eq:10004a} 就分别退化为公式 \eqref{eq:10001a} 和 \eqref{eq:10002a}。因此,材料的压电特性由电荷常数项 \( d^T \)\( d^E \) 定义。

公式注 —

  1. 公式 \eqref{eq:10003a} 和 \eqref{eq:10004a} 实际上并不完整,因为其他参数也可能影响性能。例如,材料温度变化时应变 \( S \) 也会改变。因此,应添加 \( \alpha H \) 之类的项,其中 \( \alpha \) 为热膨胀系数,\( H \) 为温升。

    \begin{align} \label{eq:10099a} S &= s^E \, T + d^T \, E + α \, H \end{align}

    因此,温度对应变的影响方式与电场类似。如果材料是磁致伸缩材料,则还应考虑磁致伸缩效应。此处给出的公式隐含地假设这些效应不存在(例如,材料保持恒温)或可以忽略。
  2. 虽然公式 \eqref{eq:10003a} 和 \eqref{eq:10004a} 通常以当前形式给出,但可以很容易地重新排列变量,得到其他形式的公式。

上标(约束边界条件)

常数上的上标表示该上标参数保持恒定(受约束)。例如,考虑公式 \eqref{eq:10003a} 中带上标 \( E \) 的柔度参数 \( s \)(即 \( s^E \))。\( s^E \) 表示在测定弹性柔度 \( s \) 时(例如对材料进行应力-应变拉伸试验时),电场强度 \( E \) 保持恒定。如果 \( E \) 不保持恒定,则应变 \( S \) 中有一部分将来自 \( d^T E \) 的压电效应,\( S \) 的测量值就不正确。(同样,在应力-应变拉伸试验中保持温度恒定,使应变只受应力影响,而不受热膨胀影响。)

同样,公式 \eqref{eq:10004a} 中的介电常数 \( \varepsilon \) 只有在应力 \( T \) 保持恒定时才能正确测定(即 \( \varepsilon^T \))。否则,电位移 \( D \) 中有一部分将由应力 \( T \) 而非电场 \( E \) 引起,\( \varepsilon \) 的测量值就不正确。

常见约束汇总于表 G3。

表 G3. 约束
上标 约束 最简便的实现方法
\( T \) 应力 = 恒定 不施加外部应力。
\( S \) 应变 = 恒定 难以通过物理约束实现。见表注 1。
\( E \) 电场强度 = 恒定 将陶瓷短路(即电压 = 0)。见表注 2。
\( D \) 电位移 = 恒定 将陶瓷开路(即电流 = 0)。见表注 3。

表 G3 注 —

  1. 通过物理约束压电陶瓷无法实际实现恒定应变状态。然而,可以在非常高的频率下激励来实现 —— 此时惯性效应大到陶瓷实际上无法振动(即不存在应变)。(见 Cady (1),第 328、572 页。)当单自由度弹簧-质量系统在远高于其谐振频率的频率下受激励时,也会出现同样的情况 —— 质量块将保持在静止位置不动。
  2. 恒定电场(恒定 \( E \))条件最容易通过将陶瓷的电极面短路来实现,使电场无法存在(即 \( E=0 \))。因此,在恒定电场 \( E \) 下测定的参数可称为短路参数。
  3. 恒定电位移(恒定 \( D \))条件最容易通过将陶瓷的电极面开路来实现,使电流无法流通(即 \( D=0 \))。因此,在恒定电位移 \( D \) 下测定的参数可称为开路参数。

基于上述约束,表 G4 列出了几个压电陶瓷参数。这些参数之间的关系将在后面讨论。

表 G4. 压电常数
符号 说明 单位
\( s^E \) 恒定电场 \( E \) 下的弹性柔度 \( s \)(杨氏模量的倒数) 1/Pa = m2/N
\( s^D \) 恒定电位移 \( D \) 下的弹性柔度 \( s \)(杨氏模量的倒数) 1/Pa = m2/N
\( \varepsilon^T \) 恒定应力 \( T \) 下陶瓷的介电常数 \( \varepsilon \)

Coulomb/m2

     volt/m
= Farad/m

\( \varepsilon^S \) 恒定应变 \( S \) 下陶瓷的介电常数 \( \varepsilon \)

Coulomb/m2

     volt/m
= Farad/m

\( d^T \) 恒定应力 \( T \) 下的电荷常数 \( d \)
单位外加电场产生的应变
m/volt
\( d^E \) 恒定电场 \( E \) 下的电荷常数 \( d \)
单位外加应力产生的电位移

Coulomb/m2

     N/m2
= Coulomb/N

电荷常数 \( d \) 的意义

当换能器用作发射器时(如本站所述的应用),电荷常数 \( d^T \) 尤为重要,因为它决定了施加电场时压电材料膨胀或收缩的程度(称为逆压电效应)。在这种情况下,希望电荷常数较大,以便在给定电场下获得较大的振幅(位移)。

(当换能器用作接收器时,\( d^E \) 决定压电材料受应力作用时产生的电荷量(称为正压电效应)。然而,对于功率换能器,正压电效应相对不重要,除非换能器中使用单独的压电陶瓷作为电反馈来监测换能器的振幅。)

尽管 \( d^T \)\( d^E \) 的单位不同,但它们在国际单位制(S.I.)中的数值相同(见 Berlincourt (3),公式 24a,第 188 页)。因此,公式 \eqref{eq:10003a} 和 \eqref{eq:10004a} 通常省略 \( d \) 上的 \( T \) 和 \( E \) 上标。

\begin{align} \label{eq:10007a} S &= s^E \,T + d \,E \end{align}

\begin{align} \label{eq:10008a} D &= \varepsilon^T \,E + d \,T \end{align}

公式的其他形式

如上所述,这些公式可以重新排列以得到其他常数。例如,从公式 \eqref{eq:10008a} 解出 \( E \) 并代入公式 \eqref{eq:10007a},可得 —

\begin{align} \label{eq:10009a} S &=s^{E} \,T + \frac{d}{\varepsilon^{T}}D - \frac{d^{2}}{\varepsilon^{T}} T \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= s^{E} \,T + \frac{d}{\varepsilon^{T}}D - \frac{s^{E}}{s^{E}} \frac{d^{2}}{\varepsilon^{T}} T \nonumber \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &= s^{E}\left[1 - \frac{d^{2}}{s^{E} \varepsilon^{T}}\right] T + \frac{d}{\varepsilon^{T}} D \nonumber \end{align}

将常数因子合并为两个新常数,公式 \eqref{eq:10009a} 可简化 — 即

\begin{align} \label{eq:10010a} \kappa &=\frac{d}{\left(s^{E} \varepsilon^{T}\right)^{1/2} } \end{align}

\begin{align} \label{eq:10011a} g^{T} =\frac{d}{\varepsilon ^{T}} \end{align}

式中 —

表 G5. 压电常数
符号 说明 单位
\( \kappa \) 压电耦合系数(见下文 无单位
\( g^T \) 恒定应力 \( T \) 下的电压常数 \( g \) m2/Coulomb

\( \kappa \) 的另一种推导及其意义的说明见压电耦合系数一节。)

于是 \eqref{eq:10009a} 变为 —

\begin{align} \label{eq:10012a} S=s^{E} (1 - \kappa^{2}) \,T + g^{T} D \end{align}

如果 \( D \) 保持恒定(例如,断开电极(开路)使电荷无法流动 — 即 \( D \) = 0),则公式 \eqref{eq:10012a} 变为 —

\begin{align} \label{eq:10013a} S=\left[s^{E} (1 - \kappa^{2})\right] \,T \end{align}

公式 \eqref{eq:10013a} 定义了陶瓷电极开路(即 \( D \) = 恒定)时应变与应力之间的关系。因此,因子 \( s^E (1 - \kappa^2) \) 就是开路柔度,记为 \( s^D \) —

\begin{align} \label{eq:10014a} s^{D} = s^E(1 - \kappa^{2}) \end{align}

然后将公式 \eqref{eq:10014a} 代入公式 \eqref{eq:10012a},得 —

\begin{align} \label{eq:10015a} S=s^{D} \,T + g^{T} D \end{align}

(见 Berlincourt (3),公式 21a,第 188 页。)

与公式 \eqref{eq:10003a} 相比,公式 \eqref{eq:10015a} 中的应变 \( S \) 现在分别以应力 \( T \)电位移 \( D \) 表示,相应的常数为 \( s^D \)\( g^T \)。公式 \eqref{eq:10003a} 与公式 \eqref{eq:10015a} 之间的选择完全是任意的(尽管公式 \eqref{eq:10003a} 更常用)。

杨氏模量

公式 \eqref{eq:10014a} 表明,压电陶瓷可以具有两种不同的柔度 \( s^E \)\( s^D \)。这源于压电陶瓷机械特性与电学特性的耦合。

公式 \eqref{eq:10014a} 以柔度表示。然而,由于杨氏模量 \( Y \) 就是柔度 \( s \) 的倒数(即对于各向同性材料,\( Y=s^{-1} \)\( Y=1/s \)),公式 \eqref{eq:10014a} 可写成 —

\begin{align} \label{eq:10016b} \frac{1}{Y^D} = \frac{1}{Y^E}(1 - \kappa^{2}) \end{align}

\begin{align} \label{eq:10016a} Y^D=\frac{Y^E}{1 - \kappa^{2}} \end{align}

式中 —

\( Y^D \) = 开路时的杨氏模量
\( Y^E \) = 短路时的杨氏模量

(如前所述,杨氏模量通常用 \( E \) 表示。然而,由于此处 \( E \) 用于表示电场强度,杨氏模量改用 \( Y \) 表示。)

因此,压电陶瓷具有两种不同的杨氏模量,取决于电学边界条件(短路或开路)。由于 \( \kappa \) 总是小于 1.0,开路模量 \( Y^D \) 总是大于短路模量 \( Y^E \)

物理解释

本节对两种杨氏模量给出物理解释。(注 — 以下图形仅供示意。X 轴和 Y 轴网格没有特定比例,各图之间不能直接比较。)

考虑一块压电陶瓷,逐渐施加力直至 \( F \) 使其受压(见图 G1)。如果压电陶瓷的电极开路(无导电通路),则压缩能量的一部分用于建立电场(即由于压电陶瓷的电容而产生电荷分离);其余(被消耗的)能量用于使压电陶瓷变形。因此,力 \( F \) 产生位移 \( U_1 \). 这就是图中的实线。

现在,如果将受压的压电陶瓷短路,电场就会消失。电场的相关能量也随之消失,但由于这是一个保守系统,损失的电能必须转化为另一种形式的能量。转化的能量使压电陶瓷产生附加应变,位移从 \( U_1 \) 增加到 \( U_2\)(点划线)。因此,压电陶瓷在短路时的压缩量大于开路时。(如果压电陶瓷一开始就处于短路状态,则力 \( F \) 会直接将其变形至 \( U_2\)(虚线),而不经过中间的开路步骤。)

曲线图 - 压电陶瓷 - 力与位移的关系
图 G1. 压电陶瓷 — 力与位移的关系

图 G1 可以转换为图 G2 中常见的应力-应变图。杨氏模量 \( Y \) 是相应应力-应变曲线的斜率。图 G2 表明,短路(虚)线的斜率低于开路(实)线(即对于给定应力,短路时的应变 \( S_2 \) 大于开路时的应变 \( S_1 \))。因此,短路时的杨氏模量(\( Y^E \))必然低于开路时的杨氏模量(\( Y^D \))。

曲线图 - 压电陶瓷 - 应力与应变的关系
图 G2. 压电陶瓷 — 应力与应变的关系

压缩气体类比

图 G3 所示为一个气缸,通过逐渐施加力直至 \( F \) 来压缩气体。左图中气缸是绝热的,热量无法逸出。这就是绝热条件(图 G4 中的实线 AB)。在压缩过程中,与未压缩状态相比,气体的温度(热能)升高了。热能的增加将位移限制为 \( U_1 \)

现在假设多余的热能通过气缸壁散出,使温度恢复到原始状态。由于活塞力不变,热能的损失意味着气体在先前位置无法再支撑相同的活塞力;因此活塞下降到新的平衡位置 \( U_2 \) (右图气缸)。这就是图 G4 中的点划线 BC。

如果气缸在整个加载过程中不绝热,也会达到相同的终态 C。这样就不会有热能积累,加载将从 A 平稳地进行到 C(虚线)。这就是等温(恒温)条件。

因此,气体在等温条件(AC 线)下的压缩量大于绝热条件(AB 线),所以等温体积模量(\( B_T \))必然低于绝热体积模量(\( B_S \))。这与压电模量(\( Y \))类似 —— 短路模量(\( Y^E \))低于开路模量(\( Y^D \))。

压缩气体类比 -(A)绝热、(B)等温
图 G3. 压缩气体类比 —(A)绝热、(B)等温
压缩气体 - 绝热与等温对比
图 G4. 压缩气体 — 绝热与等温对比

短路谐振与开路谐振

由于压电陶瓷具有两种杨氏模量,它必然也有两个相关的谐振。与 \( Y^E \) 相关的谐振称为短路谐振 \( f_{sc} \)。与 \( Y^D \) 相关的谐振称为开路谐振 \( f_{oc} \)。(短路谐振也称为串联谐振;开路谐振也称为并联谐振。原因将在别处讨论。zzz explain distinction)这些谐振之间的关系如下所示。

由于谐振频率与杨氏模量的平方根成正比(即 \( f\propto \sqrt{Y} \)),公式 \eqref{eq:10016a} 可用短路谐振 \( f_{sc} \) 和开路谐振 \( f_{oc} \) 写成:

\begin{align} \label{eq:10018a} {f_{oc}}^2={f_{sc}}^2 \left(\frac{1}{1 - \kappa^{2}} \right) \end{align}

\begin{align} \label{eq:10019a} {f_{oc}}={f_{sc}} \, \sqrt{\frac{1}{1 - \kappa^{2}} } \end{align}

式中 —

\( f_{sc} \) = 短路谐振
\( f_{oc} \) = 开路谐振

注意,\( \kappa \) 的值介于 0 和 1 之间(见下文),因此公式 \eqref{eq:10019a} 根号下的量总是 \( \geq 1 \)。这意味着开路谐振 \( f_{oc} \) 总是大于短路谐振 \( f_{sc} \);相对差值取决于耦合系数 \( \kappa \)

图 G6 所示为图 G5 中 20 kHz 换能器(Branson 502)的频率响应阻抗图。阻抗谷值对应短路谐振 \( f_{sc} \),阻抗峰值对应开路谐振 \( f_{oc} \)。(该换能器设计为在开路(并联)谐振下工作。开路谐振频率(约 20.8 kHz)略高于 20 kHz 的设计频率,因为该换能器没有前螺柱。加装前螺柱会使频率降至所需的工作范围。)

带有六片压电陶瓷(33 模式)的 20 kHz 工业超声换能器
图 G5. 带有六片压电陶瓷的 20 kHz 工业换能器(33 模式)
曲线图 - 20 kHz 超声换能器的频率响应阻抗图
图 G6. 20 kHz 换能器的频率响应阻抗图

压电耦合系数 κ — 物理含义

储存在压电材料中的能量可以有三种形式 — 弹性(应变)能、电容电能和耦合机电能。为说明这一点,将公式 \eqref{eq:10007a} 和 \eqref{eq:10008a} 用能量表示 —— 将 \eqref{eq:10007a} 各项乘以 \( T \)/2、\eqref{eq:10008a} 各项乘以 \( E \)/2:

\begin{align} \label{eq:10020a} \small\frac{1}{2}\normalsize \,S \,T &= \small\frac{1}{2}\normalsize \,s^E \,T^2 + \small\frac{1}{2}\normalsize \,d \,E \,T \end{align}

\begin{align} \label{eq:10021a} \small\frac{1}{2}\normalsize \,D \,E &= \small\frac{1}{2}\normalsize \,\varepsilon^T \,E^2 + \small\frac{1}{2}\normalsize \,d \,E \,T \end{align}

注意,这些公式中的能量实际上是能量密度(即单位体积的能量)。

在公式 \eqref{eq:10020a} 中,\( \frac{1}{2} S \, T \) 为储存的总机械能,由应变能 \( \widehat{W}_1 \)\( = \frac{1}{2} s^E \, T^2\))和耦合压电能 \( \widehat{W}_{12} \)\( = \frac{1}{2} d \,E \, T \))组成。

在公式 \eqref{eq:10021a} 中,\( \frac{1}{2} D \, E \) 为储存的总电能,由储存的电容能 \( \widehat{W}_2 \)\( = \frac{1}{2} \varepsilon^T \, E^2\))以及同样出现的耦合压电能 \( \widehat{W}_{12} \)\( = \frac{1}{2} d \,E \, T \))组成。

耦合系数 \( \kappa \) 可用上述能量表示为(Waanders (1),公式 A8,第 84 页;或 Berlincourt (3),公式 30,第 190 页) —

\begin{align} \label{eq:10022a} \kappa &= \frac{\widehat{W}_{12}}{(\widehat{W}_1 \,\widehat{W}_2)^{1/2}} \end{align}

式中 —

\( \kappa \) = 压电耦合系数
\( \widehat{W}_1 \) = 储存的总机械能
\( \widehat{W}_2 \) = 储存的总电能
\( \widehat{W}_{12} \) = 耦合压电能

因此,耦合系数是耦合压电能与储存机械能和储存电能的几何平均值之比。

将公式 \eqref{eq:10020a} 和 \eqref{eq:10021a} 中的具体能量项代入 \eqref{eq:10022a},得 —

\begin{align} \label{eq:10023a} \kappa &= \frac{\frac{1}{2} \,d \,E \,T}{\left[(\frac{1}{2} \,s^E \,T^2) \,(\frac{1}{2} \,\varepsilon^T \,E^2)\right] ^{1/2}} \\[0.7em]%complex_eqn_interline_spacing &=\frac{d}{\left(s^{E} \, \varepsilon^{T}\right)^{1/2} } \nonumber \end{align}

注意,从能量角度推导出的公式 \eqref{eq:10023a} 与公式 \eqref{eq:10010a} 相同。

对于单片压电陶瓷,\( \kappa \) 取决于元件的形状、激励模式(例如纵向、径向、厚度方向)和边界条件。表 G6 列出了评估单片压电陶瓷 \( \kappa \) 时最常见的条件。\( \kappa \) 的下标表示规定的条件(符号约定见此处)。

表 G6. 单片压电陶瓷的机电耦合系数 \( \kappa \)
耦合系数 形状 电极 极化方向 振动方向
\( \kappa_{33} \) 细长棒或杆 位于两端面 沿长度方向 沿长度方向
\( \kappa_{31} \) 细长棒或杆 位于一对侧面 沿厚度方向 沿长度方向
\( \kappa_{t} \) 薄实心圆片 位于圆形端面 沿厚度方向 厚度方向
\( \kappa_{p} \) 薄实心圆片 位于圆形端面 沿厚度方向 径向
\( \kappa_{u} \) 薄圆环 位于圆柱面 沿圆柱面方向 径向

上述定义的耦合系数可用于规定或评估单片压电陶瓷的性能,也可用作与完整装配的换能器进行比较的参考值。

用于确定耦合系数的公式 \eqref{eq:10019a} 既可用于任意条件(任意形状、约束等)下的单片压电陶瓷,也可用于整个换能器。对于后一种情况,相应术语就成为有效压电耦合系数 \( \kappa_{eff} \)。(或者,\( \kappa_{33} \)\( \kappa_{31} \)\( \kappa_{t} \)\( \kappa_{p} \)\( \kappa_{u} \) 可以视为更一般的 \( \kappa_{eff} \) 的特例。)Woollett (1)(第 24 页)指出:"然而,换能器的耦合系数通常低于其制造所用材料的耦合系数,因此称为有效 \( \kappa \),以区别于材料的 \( \kappa \)。"\( \kappa \) 的有效值(即 \( \kappa_{eff} \))取决于具体换能器的设计(例如叠堆螺栓的影响陶瓷的布置和长度等)。

注意,大多数功率换能器以 33 模式振动。然而,\( \kappa_{33} \) 并不适用于这种模式,因为它针对的是细长棒或杆。应改用 \( \kappa_{t} \),因为它针对的是薄圆片。

由公式 \eqref{eq:10018a} 或 \eqref{eq:10019a},任何耦合系数都可以由其相关的开路谐振 \( f_{oc} \) 和短路谐振 \( f_{sc} \) 频率计算得出。(另见 Waanders (1),公式 A19a,第 85 页。)

\begin{align} \label{eq:10024a} \kappa _{eff} &= \left[1 - \left( \frac{ f_{sc} } { f_{oc} } \right)^2 \right]^{1/2} \end{align}

所需频率可以通过解析分析或实测实际压电陶瓷或装配好的换能器获得。例如,对于图 G5 中的换能器,开路频率和短路频率(从图 G6 得到)分别为 20.8 kHz 和 18.8 kHz。因此,该换能器的 \( \kappa_{eff} \) 为 0.43。

κ 的意义

Berlincourt (3)(第 189 页)断言:"压电材料最重要的性质是其压电耦合系数。"

\( \kappa \) 的意义可由公式 \eqref{eq:10022a} 确定。分子代表转换的能量,分母代表总输入能量(Waanders (1),第 12 页)。

\begin{align} \label{eq:10025a} \kappa &= {\left[\frac{\text{Energy converted}}{\text{Energy input}} \right]}^{1/2}_{\text {Low frequency}} \end{align}

由于"转换的能量"必须总是小于"输入的能量",\( \kappa \) 必须总是小于 1.0。

为获得最大的压电效应,应尽可能多地将输入能量转换为压电能。因此,单片陶瓷的 \( \kappa \) 和装配好的换能器的 \( \kappa_{eff} \) 都应尽可能大。最大化 \( \kappa \) 同时也会使 \( d \) 和功率最大化。

最大化的 \( d \)

见公式 \eqref{eq:10023a}。这将使输出振幅最大化。

最大化的功率

Berlincourt (3)(第 250 页,公式 147)给出了超声换能器可产生的理论功率公式。

\begin{align} \label{eq:10026a} p &= 2 \pi f_{sc} \, {E_3}^2 \, \kappa^2 \, \varepsilon_{33}^T \, Q_M \end{align}

式中 —

\( p \) = 声功率密度(单位体积压电陶瓷的功率)[W/m3]
\( f_{sc} \) = 短路(串联)谐振频率 [Hz]
\( E_3 \) = 电场强度 [VRMS/m]
\( \kappa \) = 机电耦合系数 [无单位]
\( \varepsilon_{33}^T \) = 恒定应力下的压电介电常数 [(coulomb/volt)/m = Farad/m]
\( Q_M \) = 机械品质因数 Q [无单位]

注意,该公式本身并未对参数(尤其是电场强度 \( E \))施加任何限制。实际上,必须限制 \( E \),以防止损坏压电陶瓷(取决于压电陶瓷的类型)、防止损耗不必要地增加,以及防止压电陶瓷表面之间或对其他表面发生电弧放电。

为获得可输出的实际功率 \( P \),公式 \eqref{eq:10026a} 各项必须乘以压电陶瓷体积 \( \widetilde{V} \) [m3]。

\begin{align} \label{eq:10027a} P &= 2 \pi f_{sc} \, {E_3}^2 \, \tilde{V} \, \kappa^2 \, \varepsilon_{33}^T \, Q_M \end{align}

公式 \eqref{eq:10027a} 与 Woollett (1)(第 26 页)的公式等价(见此处图 G7)。Wollett(第 24 页)指出,他的公式是"在发热和弹性失效不是控制因素时,对脉冲应用中换能器功率容量的粗略估计"。具体的工作制无法确定,因为它取决于冷却、热传导等因素。(注意,Wollett 的公式规定 \( E_{max} \) 为"交流峰值"。因此,Wollett 的公式中有一个 ½ 因子,用于将 \( E_{max}^2 \) 转换为有效值。)

曲线图 - 谐振时的最大机械功率输出
图 G7. 谐振时的最大机械功率输出

因此,公式 \eqref{eq:10026a} 和 \eqref{eq:10027a} 表明,声功率与机电耦合系数的平方成正比。

Berlincourt 的公式基于两个假设 ——

  1. 假设 —— 换能器可表示为集总参数系统(例如 Berlincourt 的陶瓷居中的大质量负载换能器)。事实上,实际换能器并不符合这一理想模型,因为明显的应变会延伸到两端质量块中。在这种情况下,\( \kappa \) 应替换为 \( \kappa_{eff} \).(见 Woollett (1),第 24 页 —— "然而,换能器的耦合系数通常低于其制造所用材料的耦合系数,因此称为有效 \( k \),以区别于[压电]材料的 \( k \)。")
  2. 假设 —— 换能器对控制参数(例如电场强度 \( E \))的响应是线性的。然而,在高驱动电平下,这一假设很可能不成立(Woollett (1),第 24 页)。例如,见下面来自 Berlincourt (2) 的图。当陶瓷在较高温度下工作时(通常由于内部发热),线性假设会被进一步破坏。
    曲线图 - 电场强度对压电陶瓷介电常数的影响
    图 G8. 电场强度对压电陶瓷介电常数的影响

因此,Woollett (1)(第 24 页)指出,对于实际换能器,预测的功率将"相当近似"。然而,由于忽略了劣化因素(例如热因素),上述公式预测的功率或许应视为上限。

用于质量控制

有效机电耦合系数可用于对单片陶瓷进行部分合格鉴定 — 任何超出可接受范围的压电陶瓷都予以剔除。(\( \kappa_{eff} \) 通常应由压电陶瓷制造商提供。但请注意,制造商可能只是将其称为机电耦合系数或 \( \kappa \),而省略"有效"二字。

同样,\( \kappa_{eff} \) 可用于鉴定整个换能器。如果某换能器的 \( f_{oc} \) 异常接近 \( f_{sc} \),使得 \( \kappa_{eff} \) 异常小(公式 \eqref{eq:10024a}),则很可能表明该换能器存在缺陷。(在这种情况下,将所选换能器的 \( \kappa_{eff} \) 与已知"良好"的、标称设计相同的换能器的平均 \( \kappa_{eff} \) 进行比较。)

不当使用

尽管 \( \kappa \) 很重要,但它有时会被误解。

比较换能器设计

不能基于 \( \kappa_{eff} \) 来比较不同的换能器设计。

考虑对换能器进行修改、使其储能增加的情况(例如,提高前质量块或后质量块的密度,或在前质量块上加工出增益结构)。此时 \( f_{oc} \)\( f_{sc} \) 之间的差值会减小(从而降低 \( \kappa_{eff} \)),尽管功率承载能力并未受到影响。

因此,必须谨慎解读 \( \kappa_{eff} \)。正如 Waanders(第 82 页)所指出的:"根据[换能器的]结构不同,会得到不同的 \( \kappa_{eff} \) 值。要将其换算为绝对质量水平往往非常复杂,甚至不可能。"

还要注意,\( \kappa_{eff} \) 并未考虑任何换能器损耗。因此,两个换能器可能具有相同的 \( \kappa_{eff} \),但损耗却相差悬殊。

鉴于上述考虑,\( \kappa_{eff} \) 在比较不同设计的换能器时作用有限。

判断换能器损耗

由于并联和串联谐振频率基本上与换能器的机械损耗和电损耗无关(假设这些损耗在合理范围内),\( \kappa_{eff} \) 不能用作判断换能器损耗的判据。例如,对于分别采用中等质量和高质量陶瓷的 Branson 20 kHz 502/932R 换能器(图 G5)(Prokic (1),第 2­2、2­3 页),下表表明两者的 \( \kappa_{eff} \) 基本相同。

表 G7. 换能器损耗对 \( \kappa_{eff} \) 的影响
谐振类型 参数 中等质量
陶瓷
高质量
陶瓷
短路
(串联)
频率 \( f_{sc} \) (Hz) 18900 18815
电阻 (Ω) 4.6 1.9
\( Q \) 454 1139
开路
(并联)
频率 \( f_{oc} \) (Hz) 20912 20828
电阻 (Ω) 94 k 216 k
\( Q \) 1257 2485
  \( \kappa_{eff} \)
(公式 \eqref{eq:10024a})
0.428 0.429

注 — 就损耗而言,相同设计的高质量换能器将具有以下特征 —

  1. 串联谐振时电阻较低
  2. 并联谐振时电阻较高
  3. \( Q \) 值较高

确定 κeff

如果能确定 \( f_{sc} \)\( f_{oc} \),就可以由公式 \eqref{eq:10024a} 确定 \( \kappa_{eff} \)。对于实际换能器,这既简单又准确。其他情况下结果只能是近似的。即使使用能够模拟陶瓷机电特性的有限元分析(FEA),这些特性也只能近似估计。例如,杨氏模量取决于静态预载荷。即使预应力在压电陶瓷截面上均匀分布,这种关系也可能无法精确得知;而在许多情况下预应力并不均匀,这就更加复杂。其他特性也存在类似的困难。

功率输出 — 进一步的考虑

为便于讨论,此处重复列出公式 \eqref{eq:10027a} —

\begin{align} \label{eq:10028a} P &= 2 \pi f_{sc} \, {E_3}^2 \, \tilde{V} \, \kappa^2 \, \varepsilon_{33}^T \, Q_M \end{align}

在公式 \eqref{eq:10028a} 中,\( \tilde{V} \) 为压电陶瓷的总体积。如果有 \( n \) 片压电陶瓷,则公式 \eqref{eq:10028a} 可写成 —

\begin{align} \label{eq:10029a} P &= 2 \pi f_{sc} \, {E_3}^2 \, \left( n \, \tilde{V_o} \right) \, \kappa^2 \, \varepsilon_{33}^T \, Q_M \end{align}

式中 \( \tilde{V_o} \) 为每片压电陶瓷的体积。\( E_3 \) 此时为每片压电陶瓷上的电场强度。

在公式 \eqref{eq:10029a} 中,压电陶瓷的 \( \tilde{V_o} \) 可用压电陶瓷面积 \( \tilde{A} \) 与单片压电陶瓷厚度 \( h \) 的乘积代替。

\begin{align} \label{eq:10030a} P &= 2 \pi f_{sc} \, {E_3}^2 \, \left( n \, \tilde{A} \, h \right) \, \kappa^2 \, \varepsilon_{33}^T \, Q_M \end{align}

将括号内的量除以 \( h \) 并整理各项,得 —

\begin{align} \label{eq:10031a} P &= 2 \pi f_{sc} \, {E_3}^2 \, n \, \left( \frac{\tilde{A} \, \varepsilon_{33}^T } {h} \right) \, h^2 \kappa^2 \, Q_M \end{align}

括号内的量正是单片压电陶瓷沿厚度方向的电容 \( C_o^T \)。(由于介电常数 \( \varepsilon_{33} \) 是在恒定应力条件 \( ^T \) 下给出的,压电陶瓷电容 \( C_o \) 也必须在相同条件下测定;因此加上 \( ^T \) 上标。)将 \( C_o^T \) 乘以 \( n \) 即得换能器的总电容。

\begin{align} \label{eq:10032a} P &= 2 \pi f_{sc} \, \left( {E_3 \, h} \right)^2 \, n \, C_o^T \, \kappa^2 \, Q_M \end{align}

(\( E_3 \, h \)) 为施加在每片压电陶瓷上的电压 \( V \)。所得功率 \( P \) 为 —

\begin{align} \label{eq:10033a} P &= 2 \pi f_{sc} \, V^2 \, n \, C_o^T \, \kappa^2 \, Q_M \end{align}