磁場調控壓電-磁致伸縮復合振子機電共振頻率研究.pdf

1、壓電換能器通常采用固定機電共振頻率的設計方法，但是在換能器長期使用過程中，由于受到溫度等環(huán)境因素的影響，換能器機電共振頻率往往會發(fā)生改變，使換能器的機電共振頻率遠離設計的工作頻率，從而影響換能器的輸出效率。并且，當要求不同的工作頻率時，須重新設計新的換能器。本文提出一種利用磁場調控壓電振子機電共振頻率的方法，該方法基于磁電復合材料的磁-力-電耦合效應，將壓電振子與磁致伸縮材料構成磁電復合材料，在單一直流磁場作用下，由于磁電耦合作用，使壓

2、電體的機電共振頻率發(fā)生變化，實現壓電振子諧振頻率的磁場調控，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，利用磁電復合材料的有效彈性模量隨磁場變化，使其機電共振頻率發(fā)生偏移的思想。采用彈性力學的方法，利用磁致伸縮和壓電體的本構方程，數值計算壓電體電容（介電常數）與磁場、頻率的函數關系，并以此模擬機電共振頻率隨磁場的變化關系。
　　磁電復合材料是將壓電材料和磁致伸縮材料以某種方式復合，在磁致伸縮

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

4、狀磁致伸縮(TDF)構成磁電復合結構，由壓磁、壓電本構方程、彈性動力學方程，根據邊界條件，建立磁場調控壓電振子電容理論模型，其中磁致伸縮相彈性柔順系數隨磁場變化是考慮磁調控機電共振的關鍵。應用磁致伸縮的“跳躍效應”數值模擬了材料電容、頻率與外磁場的變化關系，實驗研究了磁調控機電共振頻率偏移規(guī)律。理論與實驗結果基本吻合。實驗顯示磁調諧的靈敏度分別為45 Hz/Oe（低頻）和133Hz/Oe（高頻）。
　　(2)在上述理論及實驗基礎上