基于ANSYS的压电陶瓷材料有限元仿真分析_百度文库
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基于ANSYS的压电陶瓷材料有限元仿真分析
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大学物理实验关于声速的测量1分析压电陶瓷换能器的工作原理2实验中如何测量压电陶瓷的共振频率3可闻声波与超声波有什么区别?本实验的方法是用来测量超声波波长的,可以用来测量可闻
大学物理实验关于声速的测量1分析压电陶瓷换能器的工作原理2实验中如何测量压电陶瓷的共振频率3可闻声波与超声波有什么区别?本实验的方法是用来测量超声波波长的,可以用来测量可闻声波的波长吗?为什么?
压电陶瓷换能器的共振频率在超声波段,要测量可闻声波,也许要换一种共振频率低的压电陶瓷换能器,(一般的,面积比较大些的就可以了)可闻声波的波长一般都比较长,超声波在空气中的波长,最长为17mm左右.因此可闻声波更容易测量.但是可闻声波的方向性差,波长与实验器材的尺度太接近,容易产生各种干涉衍射现象,影响实验的测量.所以用超声来做这个实验.
一般不可以拉第33卷??第5期2009年10月
文章编号:(21??04
测??井??技??术
WELLLOGGINGTECHNOLOGY
Vol.33??No??5Oct2009
弯曲振子振动模态的理论分析与实验研究
陈雪莲1,鲍文刚2
(1??中国石油大学地球资源与信息学院,山东青岛??中国石油集团测井有限公司华北事业部,河北任丘065007)
摘要:采用实验和理论模拟相结合的方式,研究了5~30kHz频率范围内弯曲振子的振动模态和频率响应特征。理论模拟和实验测量均显示在一定频段内弯曲振子存在多个振动模态,各个模态的振动频率不同;根据模态分析的振动变形图,可帮助识别弯曲振子在不同频率工作时的主要振动模式。谐振频率随着弯曲振子基片长度的减小、厚度的增加、弹性系数的增大以及所在介质声阻抗的减小而增加。关键词:声波测井器;弯曲振子;模态分析;实验;谐振频率中图分类号:P631??413????????文献标识码:A
OntheModesofBendingVibratorswithTheoreticalSimulationandExperiments
CHENXue??lian1,BAOWen??gang2
(1??CollegeofGeo??resourcesandInformation,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao,Shandong266555,C
2??HuabeiDivision,ChinaPetroleumLoggingCO??LTD??,Renqiu,Hebei065007,China)
Abstract:Withexperimentsandtheoreticalsimulationsthemodalanalysisandfrequencyre??sponsecharacteristicsofthebendingvibratorin5~30kHzareinvestigated??Theexperimentalre??sultsandtheoreticalsimulationsshowthattherearesomemodeswithdifferentresonantfrequen??ciesincertainfrequencyranges??Withthemodalanalysisresults,themodesofvibrationwithone
workingfrequencyrangecanbeidentifieddirectly??Theresonantfrequenciesincreasewiththein??termediatepartlengthdecreasing,thicknessincreasing,elasticparametervalueincreasingandmediumacousticimpedancedecreasing??
Keywords:acousticloggingtool,bendingvibrator,modalanlysis,experiment,resonantfre??
压电换能器的中心频率和带宽与压电陶瓷振子的谐振频率和相对带宽有关,而振子的谐振频率和相对带宽又取决于振子的尺寸、振动模式及振子的机电耦合系数等。因此,在设计制作压电陶瓷器件时,除了选择合适的陶瓷材料以外,还需要选择合适的振动模式。在压电陶瓷换能器中常用的压电陶瓷振子的形状有薄圆片、薄长片和薄圆环等,压电陶瓷振子常用的伸缩振动模式包括长度伸缩振动、径向伸缩振动以及厚度伸缩振动等。在设计井下实用的方位声波辐射器时,由于井下空间狭窄,薄圆片和
薄圆环不适合制作具有周向指向性的声波测井探头(以下称圆弧阵)[3],只能选择薄长片组成圆弧阵实现井周方位的指向性。另外,考虑到频率的适用性,选择了频率范围大约在0??5~40kHz之间的叠片弯曲振子。这种体积小、频率低的压电器件可以满足方位声波测井的频率要求。乔文孝等利用模态分析考察了边界条件对声波换能器的影响[4];陈雪莲等也分析了偶极横波测井换能器(频带范围0??5~5kHz)的振动特性[5]。本文在上述工作的基础上,通过模态分析、实验测量和阻抗分析仪测试等方式研究了在5~30kHz频率范围内弯曲振子的振动特征;通过模态分析得到的各阶模态的谐振频率和
基金项目:国家自然科学基金面上资助项目()和国家青年自然科学基金资助项目()作者简介:陈雪莲,女,1976年生,博士,讲师,主要从事声波测井方法及岩石物理实验的研究。
?422?测??井??技??术??????????????????????????????????????2009年??
实验测量结果的对比,可帮助了解弯曲振子在某频率范围内的振动形态是否是声波测井所需的厚度弯曲振动。
其中一片伸张时,另一片则缩短,使陶瓷片产生弯曲振动[1??2]。可见弯曲振子的弯曲振动模式是由于同时存在伸长和缩短2种形变所造成的,一般认为是间接产生的。弯曲振子除了做厚度弯曲振动外,还有很多振动模式,例如宽度弯曲振动、单片厚度弯曲振动等。各个振动模式的谐振频率和灵敏度均与弯曲振子的尺寸、材料、加载边界条件、所处介质以及连接方式等有关。表1是采用模态分析得到的不同尺寸弯曲振子的一阶模态的振动频率,对弯曲振子施加简支边边界条件,理论模拟时选择的弯曲振子的参数见文献[7]。可见,弯曲振子越薄、基片长度越长,
其厚度弯曲振动的频率越低。
1??弯曲振子的振动模态分析
1??1??弯曲振子的工作原理
把2个厚度相同、有电极的陶瓷片黏结在一起,可以产生厚度方向的弯曲振动,被黏结的上下2个陶瓷片的极化方向相同时,应以并联方式接入电源,
上下2个陶瓷片的极化方向相反时,应以串联方式接入电源(见图1)。在电场的激励下,当某一时刻
图1??弯曲振子串并联结构示意图
表1??弯曲振子尺寸改变对厚度弯曲振动频率的影响
陶瓷尺寸/mm
钢基片尺寸/mm
谐振频率/kHz5????8
边界条件简支边简支边简支边
长度变长,谐振频率降低厚度变厚,谐振频率升高
1??2??弯曲振子各阶振动模态的谐振频率测试与模
态分析结果的对比
选择28个弯曲振子沿着圆周均匀排列组成圆
弧阵。将圆弧阵置于水槽中,测试了各个弯曲振子的频率响应特征,各个弯曲振子均加载简支边边界条件[2]。测量时将待测的弯曲振子逐个与接收探头保持同一位置关系,保证各个弯曲振子的测量状态一致,且测量采集的波形不受水槽边界影响。测量时HP33120A任意波形发生器发射burst信号,用于激励待测的弯曲振子,周期个数为5,输出电压峰值为10V,频率在3~39kHz范围内变化,步长1kHz。在距离待测弯曲振子的正前方780mm处放置B&K8105水听器(宽频带,保证在测量频率范围内其灵敏度一致)接收,由HP54504A示波器完成数据采集,在每个频率测试点对接收的直达波求取率响应测量结果见图2(a)所示。图2(b)表示了测量9号振子频率响应时接收的时域波形。由图2(a)可见,各个弯曲振子的频谱幅度差别较大,响应幅度值的不一致性可能与弯曲振子中间基片与陶瓷片之间的黏结效果有关;虽然在各个频率点弯曲振子的幅度响应有差别,但在6、10、15kHz和22kHz附近均出现了频率响应的局部极大值。图3表示了模态分析得到的弯曲振子的前4阶模态,各阶模态的频率分别是6??1、10??0、15??1kHz和22??0kHz。图4表示了实验测量得到的9号弯曲振子在3~39kHz范围内的频率响应曲线与模态分析得到的前4阶模态的振动频率(图4中?? !标注)的对比,可见,模态分析得到的弯曲振子在水中的前4阶振动模式的频率与实验测量得到的频响曲线中出现局部极大值的6、10、15kHz和22kHz频率点基本吻合,这z
图2??弯曲振子的频率响应测试结果
图3??弯曲振子的前4阶振动模态
并且通过理论分析得到的各阶模态的振动示意图(见图3),可帮助了解弯曲振子在某频段工作时的主要振动模式;通过观察可知谐振频率为6kHz的模态是声波测井所需要的厚度弯曲振动模式。1??3??考察弯曲振子所在介质对厚度弯曲振动频率
将28个弯曲振子分别置于空气和变压器油中,加载简支边边界条件。利用HP4194A阻抗分析仪分别测量其谐振频率,其谐振频率平均值分别为7??3kHz和6??8kHz(见图5)。在同样的边界条件下用模态分析得到的谐振频率分别为8??3kHz和
采用1??2中描述的测量过程,利用HP33120A信号发生器发射burst信号,分别加载到圆弧阵的各个弯曲振子上,在5~20kHz频率范围内测试各
个振子在空气中的频率响应,变化步长0??5kHz,用麦克风代替8105水听器接收声波信号,经调制放大器放大后由示波器完成数据采集。测试结果显示弯曲振子在7??5kHz附近均存在频谱响应的极大值。这比图2表示的在水中的第??阶模态的频率6??0kHz要高。
利用阻抗分析仪测试、模态分析以及实验室频
谱测试与理论计算结果对比
图6??基片材料不同时弯曲振子一阶模态的频率
通过模态分析、实验测量以及阻抗分析仪测试等手段研究了影响弯曲振子振动频率的影响因素,并对测试结果进行了相互验证。最重要的是结合模态分析结果可帮助识别各阶谐振频率下的振动模式。在设计和制作弯曲振子换能器时可通过改变基
图5??阻抗分析仪测量结果
片尺寸、基片材料以及加载的边界条件等方式调节其各阶振动频率,使其在工作频段的振动模态是声波测井所需的振动方式。由于弯曲振子所处介质声阻抗的增加会使其辐射阻抗增大,降低谐振频率,另外加载的边界条件也会影响其振动频率,因此在测试声波换能器的振动频率时要保证在实际工作状态下进行。参考文献:
[1]??林书玉??超声换能器的原理与设计[M]??北京:科学
出版社,2004??
[2]??栾桂冬,张金铎,王仁x??压电换能器和换能器阵:修
订版[M]??北京:北京大学出版社,2005??
[3]??乔文孝,车小花,鞠晓东,等??声波测井相控圆弧阵及其
辐射指向性[J]??地球物理学报,):939??946??[4]??乔文孝,车小花,张??菲??边界条件对声波测井弯曲振
子振动模态的影响[J]??中国科学D:地球科学,??179??
[5]??陈雪莲??偶极声波换能器振动特性计算[J]??应用声
学,):407??412??
[6]??小飒工作室??最新经典及Workbench教程[M]??北
京:电子工业出版社,2004??
[7]??莫喜平??ANSYS软件在模拟分析声学换能器中的应
用[J]??声学技术,):??
响测量均说明,弯曲振子的同一阶模态在液体中的谐振频率比在空气中的谐振频率约低20%。这与弯曲振子在水中的声辐射阻抗较大有关。
1??4??不同基片材料对弯曲振子弯曲振动模式的影响
为对比中间基片材料不同时弯曲振子的工作特性,理论模拟时中间基片分别选择钢和陶瓷(未极化),其尺寸见表2。由图6可知,在弯曲振子尺寸完全一致时,中间基片选择钢的弯曲振子的谐振频率高于陶瓷做基片的弯曲振子。可见中间基片的弹性参数也影响振子的谐振频率,一般基片越??软!,谐振频率越低。由图6还可发现钢做基片时弯曲振子的振动幅度较大,表明弯曲振子在做辐射器时其向介质传递的振动位移较大,辐射功率较高。利用阻抗分析仪HP4194A测试了钢做基片时弯曲振子的一阶谐振频率,与理论模拟结果相比基本一致。
表2??弯曲振子的尺寸和测试结果
陶瓷尺寸/mm长20
长40基片尺寸/mm宽5
阻抗分析仪测试谐振频率/kHz8??9
理论边界条件
(收稿日期:??本文编辑??王小宁)查看: 4366|回复: 8
用workbench分析压电陶瓷模态的问题
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我在workbench里面做了超声振动系统的模态分析。模型中间4层为压电陶瓷，我出现的问题是：当为这4层分配压电陶瓷的材料属性的时候，模态的计算结果前30阶都为0或者接近0；当为这4层分配别的金属材料属性作为测试的时候，模态计算结果正常。这是什么原因，难道是我的压电陶瓷的材料属性设置错了吗？请大家帮我看看到底出了什么问题
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麻烦斑竹和各位高手帮忙看一下啊
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斑竹在吗，可以帮忙看看吗
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据说在workbench中，只能做静态的电磁学分析，所以定义压电材料属性时，只需要定义密度，弹性模量，泊松比
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workbench可以做压电陶瓷分析吗
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