夹层式压电换能器的组装工艺优化与机电性能提升研究

为解决压电换能器（Piezoelectric Transducer）在超声焊接等应用中因组装压力和电极材料选择导致的性能不稳定问题，哈尔滨工业大学团队通过优化预紧力装配工艺及高温老化处理，显著提升了换能器的机械品质因数（从920增至2091）和机电耦合系数，并建立有限元模型降低串联谐振阻抗相对误差至6.9%。该研究为高功率超声设备设计提供了重要理论支撑。

　　

在超声焊接、化学处理和精密加工等领域，压电换能器的性能直接决定了设备效率。然而，传统设计依赖一维振动理论模型（如Mason电路模型），难以应对复杂结构带来的参数偏差，且装配工艺和材料选择对性能的影响机制尚不明确。哈尔滨工业大学的研究团队通过整合波方程理论、等效电路模型和有限元仿真，系统研究了夹层式压电换能器的机电特性优化路径。

研究采用阻抗分析仪和BVD（Butterworth-Van Dyke）等效模型参数评估性能，对比铜与锡青铜电极材料的差异，并通过单因素仿真优化压电陶瓷本构模型。关键发现包括：施加适当预紧力可同步提升机械与电学性能；高温老化使机械品质因数（Q_m）提升127%；有限元模型将串联谐振阻抗误差从363.90%降至6.9%，显著提升负载阻抗预测精度。

结构设计
基于一维纵向振动波方程设计的夹层换能器，前盖分体式结构有效降低横向振动干扰，预紧螺栓装配确保陶瓷晶堆稳定性。

性能评价指标
阻抗特性曲线和机电耦合系数（k_t）分析表明，锡青铜电极在高频段表现更优，而铜电极在中低频稳定性突出。

有限元模拟
通过COMSOL多物理场耦合仿真，揭示了固态负载下应力分布与阻抗特性的非线性关系，为实际工况适配提供依据。

结论与意义
该研究通过工艺优化与材料匹配，解决了高功率超声设备中换能器性能衰减的核心问题。高温老化处理首次被证实可大幅提升Q_m，而精准的有限元模型为后续整机设计奠定基础。论文发表于《Sensors and Actuators A: Physical》，为超声技术工业化应用提供了可复用的方法论。