通过标准模型展示压电换能器设计的有效结果

Bridget Cunningham 2016年 9月 7日

如今,许多新型设备都应用到了压电效应。在对此类设备的设计进行分析时,您一定希望获得准确可靠的结果。COMSOL Multiphysics® 仿真软件便能帮助您快速获取准确的结果。为了证明这一点,我们特意创建了一个压电换能器的标准模型。

压电效应推动技术革新

设想这样一种智能地板技术:它可以将人体运动转换为电能,当人的脚步对地板施加压力时便会产生能量,这些能量可为整栋建筑提供照明和其他电力需求。压电效应正是此项技术和其他许多创新设计背后的理论基础。

法国物理学家雅克·居里和皮埃尔·居里早在 1880 年就发现了压电现象,如今这项技术已得到了广泛应用,从声音的产生和侦测到高压发电,甚至在按钮启动式丙烷烧烤炉、石英表内的时间基准源以及乐器中,都能看到压电效应的巨大应用潜力。

压电式小提琴琴桥的照片。
小提琴的压电式琴桥拾音器。图像由 Just plain Bill 自行拍摄。已获 CC BY-SA 3.0 许可,通过 Wikimedia Commons 共享。

要对上述及其他压电设备的设计进行优化,就必须使用能提供精确结果的计算工具。COMSOL Multiphysics 便是一个可靠的工具,它能有效保证仿真结果的准确性。

为了证实这一点,我们创建了一个复合压电换能器的标准教学模型。此教程对于那些需要对超声换能器进行仿真的用户来说,是十分实用的资源,同时此模型也可用作表面声波滤波器和体声波滤波器仿真的基础模型。

借助 COMSOL Multiphysics® 分析复合压电换能器

本文展示的压电换能器示例模型由一个三维圆柱几何体组成,它具有压电陶瓷层、两个铝层及两个粘结层,位于圆柱体两端的铝层分别通过两个粘结层与压电陶瓷层相连接。为了降低对内存的需求,我们可以利用模型的对称性来创建几何结构。具体方法为:沿着与中心轴垂直的中间平面进行切割,然后从中切割出一个 10 度的楔形结构。

该系统对两个压电陶瓷层的电极表面都施加了交流电势,以保证系统的运行。对于此案例来说,在 20 kHz 到 106 kHz 的频率范围内,交流电势的峰值为 1 V。此仿真研究旨在计算出特定频率范围内的导纳,这一频率范围与该结构的四个最低特征频率相近。

在分析之前,我们要首先确定特征模态,并对前四个特征频率所在的区间进行频率扫描。借助 COMSOL Multiphysics,我们可以同时耦合并求解该问题中的力学场和电场。这种方式不仅提高了仿真流程的效率,也有助于保证仿真结果的准确性。

绘图展示了最低振动模态。
图像描绘了电纳与频率的关系。

左图:最低振动模态的仿真绘图;右图:电纳与频率的对比图。

让我们一起看看仿真结果。上方左图显示了压电换能器的最低振动特征模态;右图显示了输入电纳(导纳的虚数部分)与激发频率之间的函数关系。这些结果与论文 “Finite Element Simulation of a Composite Piezoelectric Ultrasonic Transducer” 的研究结论一致(见参考文献 1)。请注意,由于我们未在此仿真中使用阻尼,因此特征频率会产生较小的误差。当然,您也可以使用 COMSOL Multiphysics 对阻尼进行模拟。

借助 COMSOL Multiphysics® 和 MEMS 模块优化压电设备的设计

COMSOL Multiphysics 一类的工具使设计可靠的压电设备成为了可能。COMSOL 软件的灵活性和强大功能不仅可以帮助您获取精确的结果,还能让您拥有充足的信心来持续提升压电设备的设计。如需更多关于上述功能的信息,请浏览以下资源。

了解更多关于压电设备建模的知识

参考文献

  1. Y. Kagawa and T. Yamabuchi, “Finite Element Simulation of a Composite Piezoelectric Ultrasonic Transducer”, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-26, no. 2, pp. 81-88, 1979.

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