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应用物理|薄长片压电振子的强场机械品质因数表征研究

汉斯出版社

2023-10-08

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导读：

为探究利用温升和振动测量表征强电场下薄长片压电振子的机械品质因数Qm的可行性，首先对工作在横向长度伸缩振动模式的薄长片压电振子的热传导方程进行建模和有限差分求解分析，推导了压电振子自发热参数hg、边界振动速度幅值Vmax与Qm之间的关系；其次利用有限元仿真和数值求解方法，研究了不同材料参数下薄长片压电振子的振动温升分布的特性，验证了利用温升和振动测量方法表征薄长片压电振子Qm值的准确性；最后搭建了实验装置表征了PZT-4和PZT-8两种压电薄长片压电振子在不同电场下的Qm值，结果表明：不同电场强度下PZT-8压电振子的Qm值均高于PZT-4压电振子，且随着电场强度增大两种压电振子的Qm值均减小，该方法和实验结果可为大功率压电器件的设计和性能表征提供参考。

基本信息：

薄长片压电振子的强场机械品质因数表征研究

Research on Characterization of High-Field Mechanical Quality Factor of Thin Rectangular Plate Piezoelectric Resonators

作者：

赵恒莉, 郑广斌, 宋李江, 陈赵江*：浙江师范大学物理与电子信息工程学院，浙江金华

关键词:

薄长片压电振子；热传导；应变；径向振动模式；机械品质因数

项目基金：

国家自然科学基金资助项目(11874327)

原文链接：

https://doi.org/10.12677/APP.2023.139041

内容简介：

在汉斯出版社《应用物理》期刊上，有论文首先对薄长片压电振子的热传导方程进行有限差分求解分析；其次对推导得到的热传导方程进行数值模拟和有限元仿真，研究了薄长片压电振子的振动模态与应变和损耗的关系，模拟了不同材料参数下压电振子，验证利用温度和振动测量压电长条振子机械品质因数方法的准确性。在此基础上，搭建了实验装置对PZT压电材料的强场机械品质因数进行表征，得到了PZT-4和PZT-8在不同电场强度下的Qm值，验证了利用温升和振动测量表征压电振子机械品质因数的可行性。

本节主要对薄长片压电振子径向共振时的热传导方程进行有限差分求解分析，为以实验数据中拟合自发热参数hg建立理论基础。压电长条振子在共振时的发热主要由于应力应变滞后引起的机械损耗导致，而应变分布只与压电长条振子的长度有关，因此其产热分布也仅沿其长度方向发生变化。压电长条振子的几何形状以及热流分布如图1所示。

本文首先对薄长片压电振子的热传导方程进行有限差分建模和求解，并利用有限元仿真和数值求解验证了此方程的合理性；其次求解计算了不同参数时薄长片压电振子的温升分布图，验证了薄长片压电振子共振时应变与损耗之间的关系以及利用温升和振动法表征强场下薄长片压电振子机械品质因数Qm值的可行性；最后搭建实验装置表征了PZT-4和PZT-8薄长片压电振子的Qm值，结果表明：两种材料的机械品质因数随电场的增大而变小，并且相同电场强度下PZT-8的机械品质因数Qm值均大于PZT-4的Qm值。

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https://doi.org/10.12677/MS.2018.88104

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https://doi.org/10.12677/CSA.2018.86101

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https://doi.org/10.12677/AAC.2021.113021

所属期刊

-Applied Physics-

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