压电振子特性与支撑方式分析
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压电振子特性与支撑方式分析
压电振子的振动模式
压电振子[X50-52}是压电驱动器的核心部件，起着将电能转换为机械能的作用。某一几何尺寸的振子在特定条件(按所需方向极化、激励和设置电极等) 下，其用以完成机械能和电能相互转换的振动方式多种多样，通常把这种振动方式称为振动模态。此外，各种振动模态之间还存在着相互影响或藕合作用。因此在设计压电振子时，除了选择合适的压电陶瓷材料外，还要选择合适的振子及其振动模态。
通常将压电陶瓷激发的振动分成以下四类，如上图所示。
(a)垂直于电场方向的伸缩振动(长度方向) ，用LE 模表示;
(b)平行于电场方向的伸缩振动(厚度方向) ，用TE 模表示;
(c)垂直于电场平面内的剪切振动(表面) ，用FS 模表示;
(d)平行于电场平面内的剪切振动(厚度) ，用TS 模表示。
当这些振动模式作用到压电振子上时，将能产生弯曲振动、伸缩振动和扭转振动。压电驱动器为了形成所需运动形式，通常使用这四种振动形式中的两种或一种，使两个以上方向的振动加以组合以达到目的。按照所加电场与弹性波传播方向之间的关系，压电振动又可分为纵向效应和横向效应两大类。当弹性波的传播方向平行于电场方向时称为纵向效应; 当弹性波的传播方向垂直于电场方向时称为横向效应。骨传导所采用的复合压电振子的振动模态为LE 伸缩振动。
压电振子的谐振特性
将施加到压电振子上电信号的频率从低频慢J 漫地升到高频时，可以发现，通过压电振子的电流随电信号频率的变化而变化[[53-54]。当电信号频率为某一频率时，电流出现极大值; 当电信号频率变化到另一频率时，电流出现极小值。压电振子的电流随频率而变化这一事实，也表明压电振子的等效阻抗Z 随频率也发生变化，如图2.6所示。图中，IZI 代表阻抗的绝对值。当电信号频率等于几时，压电振子的电流最大而阻抗最小; 当电信号频率等于fn 时，压电振子电流最小而阻抗最大。因此，通常称fm 为最小阻抗频率或最大导纳频率(导纳=1}阻抗);,fn 称为最大阻抗频率或最小导纳频率。
如果继续增加输入电信号的频率，还可发现通过压电振子会有规律地出现一系列的电流极值，相应的频率为fml} fnls fm2} fn:等等。这就是说，压电振子的电流随频率变化有许多极大值和极小值。
由谐振理论可知，压电振子在最小阻抗频率几附近，
还存在一个使信号电压与电流同相
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位的频率，这个频率称为压电振子的谐振频率. 再; 同样，在最大阻抗频率./n附近，还存在一个使信号电压与电流同相位的频率，这个频率称为压电振子的反谐振频率a}只有压电振子在机械损耗为零的条件下，压电振子的最小阻抗频率,fm 和谐振频率关相等; 最大阻抗频率,fn 和反谐振频率u 相等。当压电振子存在机械损耗时，最小阻抗频率不等于谐振频率，最大阻抗频率不等于反谐振频率。对无损耗或低损耗的压电晶体，可以近似地认为它们相等。
压电振子典型的支撑方式
压电振子典型的支撑方式有以下几种:
(a)悬臂支撑
悬臂支撑方式只适用于矩形压电振子，该支撑方式可以在悬臂端获得较大的位移，并且该结构的谐振频率较低，是一种理想的支撑方式。
(b)周边固定支撑
这种支撑方式适用于矩形和圆形的压电振子，它的最大位移点在中心位置，谐振频率比悬臂的稍大，也是一种不错的支撑方式。
(c)简支支撑
这种支撑方式和周边固定支撑很相似，振动形式和谐振频率也相差不大，但是该种结构不易于实现，所以一般不采用该种结构。
(d)中间支撑
这种支撑方式适用于圆形的压电振子，其最大位移点在周边，也是一种理想的支撑方式。