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1 压电材料与压电效应1

1.1 压电材料1

1.1.1 压电单晶材料2

1.1.2 压电陶瓷3

1.1.3 压电高分子聚合物4

1.1.4 弛豫型铁电材料5

1.1.5 压电复合材料5

1.2 压电材料的重要参数6

1.2.1 机电耦合系数7

1.2.2 介质损耗因子和电学品质因数7

1.2.3 机械损耗因子和机械品质因数9

1.2.4 频率常数10

1.2.5 老化11

1.2.6 温度稳定性和居里点11

1.2.7 电退极化13

1.2.8 额定动态抗张强度13

1.2.9 高静态应力对材料性能的影响13

1.3 压电方程16

1.3.1 压电方程的推导16

1.3.2 电弹常数的物理意义19

1.3.3 压电晶体常数之间的关系20

1.3.4 压电振子的四类边界条件26

1.3.5 各种压电晶体的常数矩阵27

1.3.6 压电陶瓷的机电耦合系数与品质因数讨论30

1.4 压电振子的振动模式31

参考文献36

2 压电陶瓷典型振动模式的等效电路37

2.1 机电类比37

2.1.1 机械系统和电路的元件37

2.1.2 单自由度机械系统和单电回路的运动方程式38

2.1.3 振动稳态解各量之间关系的类比39

2.2 典型的机电等效模型40

2.2.1 压电陶瓷薄圆环的径向对称模式40

2.2.2 电场垂直于长度方向的长度伸缩模式44

2.2.3 电场平行于波传播方向的厚度剪切模式49

2.2.4 电场平行于波传播方向的厚度伸缩模式53

2.2.5 电场平行于长度方向的长度伸缩模式54

2.2.6 薄圆片的径向振动模式56

参考文献61

3 Tonpilz压电换能器机电等效模型63

3.1 级联理论64

3.2 p个晶片级联组合系统的机电等效图66

3.3 前后盖板的机电等效图68

3.4 Tonpilz压电换能器的机电等效图72

3.5 频率方程73

参考文献75

4 弯张压电换能器的结构设计与发展76

4.1 弯张换能器的结构发展76

4.2 钹式换能器的发展与制作工艺79

4.2.1 钹式换能器的研究现状与发展79

4.2.2 钹式换能器的制作工艺82

4.3 弯张换能器的典型应用85

4.4 弯张换能器的设计与分析方法86

参考文献87

5 钹式换能器的有限元分析89

5.1 ANSYS软件分析方法及过程89

5.1.1 基本理论89

5.1.2 物理实体模型90

5.1.3 有限元离散模型92

5.1.4 设定问题类型并求解94

5.1.5 提取结果数据，获得特性参数94

5.2 钹式换能器基本电声性能分析96

5.2.1 共振频率96

5.2.2 振动模态97

5.2.3 电导纳特性101

5.2.4 发射响应和接收灵敏度103

5.2.5 指向性104

5.3 材料参数对换能器性能的影响规律105

5.3.1 压电材料对性能的影响105

5.3.2 金属材料对性能的影响108

5.4 加电方式对换能器性能的影响110

5.5 结构参数对性能的影响规律112

5.5.1 总体尺寸对性能的影响113

5.5.2 径向尺寸对性能的影响115

5.5.3 PZT厚度对性能的影响117

5.5.4 黄铜片厚度对性能的影响119

5.5.5 空腔厚度对性能的影响121

参考文献123

6 欧米伽型弯张压电换能器125

6.1 欧米伽换能器的结构与能量表达式125

6.1.1 欧米伽换能器的结构125

6.1.2 圆锥薄壳的能量表达式126

6.1.3 金属圆环、顶部金属圆片及陶瓷圆片的能量表达式128

6.2 欧米伽换能器谐振频率的Rayleigh-Ritz解法129

6.2.1 位移振型函数129

6.2.2 几何边界条件130

6.2.3 谐振频率和位移振型函数待定系数的求解130

6.3 理论推广与实验对比131

6.4 欧米伽换能器的有限元分析136

6.4.1 空腔顶部半径对性能的影响136

6.4.2 空腔高度对性能的影响138

6.4.3 空腔底部半径对性能的影响140

6.4.4 陶瓷片厚度对性能的影响141

6.4.5 金属端帽厚度对性能的影响143

6.5 与钹式换能器的对比145

6.5.1 有限元模型145

6.5.2 导纳特性对比146

6.5.3 发射与接收响应对比147

参考文献150

7 压电超声马达152

7.1 工作原理、分类和特点152

7.1.1 驻波的形成154

7.1.2 行波的形成154

7.1.3 压电马达的性能特点155

7.2 几种典型的压电马达156

7.2.1 直线型行波压电马达156

7.2.2 环形行波压电马达157

7.2.3 多模态复合驻波型压电马达157

7.3 压电马达的其他应用158

7.3.1 精密机械158

7.3.2 微机电系统159

7.3.3 航空航天159

7.4 压电马达的研究方向160

7.4.1 基础理论与建模160

7.4.2 功能材料164

7.4.3 驱动与控制技术165

参考文献168

8 压电变压器170

8.1 压电变压器的应用与发展170

8.2 压电变压器工作原理171

8.3 压电变压器的分类172

8.3.1 厚度振动模式压电变压器173

8.3.2 径向振动模式压电变压器174

8.3.3 剪切振动模式压电变压器175

8.4 等效电路及机电特性176

参考文献181

9 压电能量收集器183

9.1 基于机电转换的能量收集技术183

9.2 压电俘能结构的构成185

9.2.1 压电材料185

9.2.2 压电振子振动模式186

9.2.3 其他结构形式189

9.3 能量收集和存储电路191

9.3.1 能量收集接口电路191

9.3.2 能量收集存储技术193

9.4 压电悬臂梁发电结构的理论模型194

9.4.1 压电单晶片（Unimorph）悬臂梁结构动力学模型194

9.4.2 压电双晶片（Bimorph）悬臂梁结构动力学模型197

9.4.3 压电单晶片悬臂梁的数值分析201

参考文献204