CB T 4314-2013 水声实用压电陶瓷元件性能参数的测量与计算方法.pdf
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1、飞ICS 47. 020. 05 u 05 备案号:41700-2013中华人民共和国船舶行业标准CB/T 4314-2013 代替CB/T1194一1988水声实用压电陶瓷元件性能参数的测量与计算方法Measurement and calculation methods for the properties of underwater practice piezoelec仕icceramics element 2013 -07一22发布彼。阐圆圆111阳市阻,Sftl.tfll/ l,工,、,一I I)下大l贯而斗)1, u晶悻惧幢防仿冒中华人民共和国工业和信息化部2013 - 12 - 0
2、1实施发布. . . CB/T 4314-一2013口次前言蜀.II 1范围. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 规范性引用文件.; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3、. . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 术语和符号.1 3. 1 术语和定义.1 3.2符号,事.1 4 测量与计算方法.2 4. 1 元件几何尺寸的测量.2 4.2 厚向极化矩形薄板元件横向长度伸缩模性能参数的测量与计算.2 4.3 径向极化薄壁圆管元件径向伸缩模性能参数的测量与计算.5 4.4 厚向极化中孔薄圆片元件径向伸缩模性能参数的测量与计算.9 4.5 厚向极化圆片元件径向伸缩模性能参数的测量与计算.13 4.6轴向极化圆柱元件纵向伸缩模性能参数的测量与计算.17 4. 7 轴向极化园管元件纵向伸缩模性能参数的测量和计算.20 附录AC规范性附录.
4、 25 附录B(规范性附录. 33 I CB/T 4314-一线。13刚吕本标准按照四月1.1-2009给出的规则起草。本标准代替CB/T1194-1988水声实用压电陶瓷元件性能参数的测量与计算方法,与CB/T1194 -1988相比,主要有下列变化:一一增加了P-42、P-43和P-52等三种材料元件测量与计算方法(见4.24. 7) . 一通过归一化处理,修改了P-41、P-51和P-81等三种材料元件原有曲线(见图16、圈29,1988 年版的图16、图28); 一一增加了厚向极化圆片元件径向伸缩模基频、三次及五次泛音谐振频率f二归一化值随厚度直径比t/d的变化曲线(见4.5) ; 一
5、一一增阔了E=O.36、0.38时的IAI、叫值,并对E=O.30、0.32、0.34时的IAI、lcl值进行重新计算验证(见附录的:一增加了方程11xJo()(l-c;E)xJ1切)0的最低正根(见附录肘。本标准由全国海洋船标准化技术委员会船用材料应用工艺分技术委员会归口。本标准起草单位:中国船舶重工集团公司第七一五研究所、中国船舶重工集团公司海声科技有限公司、中国船舶工业集团公司国营第七二一厂、浙江省嘉康电子股份有限公司、江苏省日盛电子有限公司。II 本标准主要起草人:盖学周、胡望峰、庞海鸥、魏薇、毛敏芬、王新平、朱斌、戴黎民、耶英杰。本标准于1988年首次发布。四月4314-一却13水声
6、实用压电陶瓷元件性能参数的测量与计算;方法1 范围本标准规定了水声实用压电陶瓷元件主要物理性能参数在弱电场下的测量与计算方法。本标准适用于P-41、P-42、P-43、P-51、P-52、P一81六种压电陶瓷材料制备的厚向极化矩形薄援元件、厚向极化圈片及中孔薄圈片元件、轴向极化的困柱及同管元件、径向极化的薄壁困管元件物理性能参数的测量与计算。超声用压电陶瓷元件亦可参照使用。2 规莞性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不uJ少的。凡是注日期的引用文件,仅所注目期的版本适用于本文件。凡是不注目期的引用文件,其最新版本包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 3389一2008压电陶瓷材料性能测试
7、方法性能参数的测试GB/T 3坦9.1-1996 铁电压电陶瓷词汇GB月2414.1-1998压电陶瓷材料性能试验方法因片径向伸缩振动模式GB/T 2414.2 压电陶瓷材料性能试验方法长条横向长度伸缩振动模式3 术语和持号3. 1 术语和定义GB/T 3389. 1-1996界定的术语和定义适用于本文件。3.2符号GB/T 3389. 1-1996给出的以及下列符号适用于本文件。IAI在中孔薄圆片元件参数计算中,用于计算频率常数、声速、短路弹性柔顺常数的系数,与元件内外径比岛合及材料泊松比E有关的系数:司一一在中孔薄困片元件参数计算中,用于计算径向机电藕合系数的系数,与元件内外径比N/r,及
8、材料泊松比E有关的系数:dun一二标准长条元件压电应变常数,单位为库仑每牛顿CC的或米每伏特(m/V); dSn一一标准柱状元件压电应变常数,单位为库仑每牛顿(C的或米每伏特(m/V); I二一标准元件的基披串联谐振频率,单位为赫兹(Hz); kpn一一标准圆片元件平面机电糯合系数:&w.一一标准长条元件横向机电藕合系数:1w一标准圆柱元件纵向机电藕合系数:九一一中孔薄圆片元件径向机电糯合系数:i一标准长条元件横向长度伸缩模频率常数,单位为赫兹米(Hzm) ; M.标准柱状元件纵向长度伸缩模频率常数,单位为赫兹米CHz m) ; f 3n一一标准柱状元件谐振频率儿与高度h的乘积,单位为赫兹米C
9、Hz m) ; GB/T 4314-2.013 N.m标准因片元件径向伸缩模频率常数,单位为赫兹米(Hz m) ; 1un标准长条元件横向长度伸缩模短路弹性柔顺常数,单位为平方米每牛顿(m2/N)1 133n一标准柱状元件纵向长度伸缩模开路弹性柔顺常数,单位为平方米每牛顿(m2的。4测量与计算方法4. 1 元件凡何尺寸的现lj量用分度值不大于0.01mm的长度计量器具测量元件的几何尺寸。4.2 厚向极化矩形薄板元件横向长度伸缩模性能参数的测量与计算4.2. 1 矩形薄极元件几何尺寸的要求矩形薄摄元件几何只寸见图lo其中(t) 2或(bft) 2应不小于10。说明:I一)矩形簿极元件长度zb一才
10、在形薄板元件宽度:矩形薄提元件厚度图1厚向极化矩形薄板元件4.2.2横向长度伸缩模基波串联谐振频率元的初定矩形薄板压电陶瓷元件在电场激励下振动模式主要有长度伸缩模Li、边角模E,径向模品或长度伸缩模L3、径向模品等。根据图2可初定某一宽长比bl1的长度伸缩模L1的基波串联谐振频率4。4.2.3横向长度伸缩模基波串联谐振频率元、并联谐振频率元、自由电容d的测量按GB/T2414. 1-1998、GB/T2414.2规定的试验条件和方法测量4和Co4.2.4横向长唐伸缩模性能参数的计算按表1所列公式计算矩形薄板元件性能参数。4.2.5 矩形薄板压电陶瓷元件性能参数与横向长度伸缩模材料标准性能参数的
11、比较从图3图6中找出对应于长宽比lib值的归一化值,用实用元件参数值M、111、k1和d1除以相应的归一化值得到标准元件参数值。2 序号符号莹三1 2 NI 3 v.B 4 s k31 5 6 d到7 gll Q., 8 图2CB/T 4314-2013 表1厚向极化矩形薄板元件横向长度伸缩模性能参数计算公式一名称自由相对介电常数额率常数声速短路弹性柔I眼系数横向机电糯合系数0.0 o:o 压电应变常数压电电压常数机械品质因数计算公式一二二E叶唰= 11.3CT x t x 1010 /xb N, =lxf, Ji;E 立f.xi St 4px(lxf,)2 一(1+4f )xtg(f 4()
12、 k;I = 2 j;王1一2(l一)tg(一;;,) dll =kl、c问。xS1g =- d 一i1 e;J xco Qm = J. 2 211/, X乓xCrx(f:-f,2) 一二一单位- -无量纲,一Hz m mis m/N 无量纲C/N或m/VV v。m/N或旷IC无量纲厚向极化矩形薄板元件四种振动模谐振频率瓦归化值随宽长比b/I的变化曲线3 CB/T 4314- 2013 4 图3厚向极化矩形薄板元件长度伸缩模频率常数M归一化值随长宽比备的变化t却 。. l .l l L J_J !. J ! J .L.J i 1I-._J1:rr r LTJ 丁LL:L(+ 1.08.; .
13、J . L. . .I问1:x : ; 肌rLi 十一十十!问1Si.,_ =11.0x 10 I? (陶先川剧:E电f- 11冉钊:.:.二;I;i门;:tti寸寸t才1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 图4厚向极化矩形薄板元件长度伸缩模弹性柔!颐常数111归.化值随长宽比l/b的变化CB/T 4314-2013 50 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 厚向极化矩形薄板元件长度伸缩模横向机电藕合系数k31归一化值随长宽比备的变化图5b bw 士:川吁吁寸寸叩1ZEdl丁一1叶,。,斗,。VVVVVJJm叫町,一ieJilidk
14、r1十,一川尸尸EVul士”才?lariJIer一胁协饰附加胁mmtirea2、aEEF人圄一函,一;1;一也dmddmdA甲寸寸Jjzzr;t!一响唱唱咄咄咄自由izJiji- - 一;24一ieiLireLtLi11十!llHiLl:却一11aZ;二4isitJI斗;在一丁才iML一Jrr一一5拍,iTJ7丁寸寸iaJ:jLfh寸Jivji寸JjiHM)i7fr一dd:17iiiLiera十;!吃1节hi山oil!d一一一一一一5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 日,31.0 1.0 0.9 。,50.4 0.8 0.7 。.6厚向极化矩形薄板元件长度伸缩模压电应变常数出归一化值随长宽
15、比l/b的变化图6径向极化薄壁圆管元件径向伸缩模性能参数的测量与计算4.3 薄壁圃管元件几何尺寸的要求薄壁圆管元件的几何尺寸见图7。其中dlt应不小于8。4.3. 1 5 CB/T 4314-?.013 说明zd一一薄壁圆管元件的外径zt一薄壁圆管元件的壁厚zh一一薄壁圃管元件的高:一一薄壁圆管元件的平均直径,cl.=d-t;H.薄壁圆管元件的平均半径,H,=d,/2o图7径向极化薄璧圆管元件4.3.2径向伸缩模基波串联谐振频率元的初定径向极化薄壁圆管元件在电场激励下振动模式主要有径向模R和轴向模Ho根据图8可初定某一高与平均半径之比hi.岛的径向伸缩基波模矶的串联谐振频率Jso4.3.3径向
16、伸缩基波模Rt串联谐振频率元、井联谐振频率元、自由电容d的测量。按GB/T2414. 1-1998、GB/T2414.2规定的试验条件和方法测量且,4和Co4.3.4径向伸缩基波模Hi性能参数的计算按表2所列公式计算薄壁圆管元件性能参数。表2径向极化薄壁圆管元件径向伸缩模然性能参数计算公式品序号符号名称计算公式一一一.; 自由相对介电常数s;-3 = 3.6xCT xt xl010 d0xh 2 Ni 频率常数N.xd0 xf. 2 3 只E声速v.E :.x仇xf.4 s. 短路弹性柔顺常数s. = I px(xd0x兀)25 k31 横向机电藕合系数k;. f.2一一f.2 /? 6 d3
17、1 压电应变常数d31 鸟,s二XS0xS1 7 g31 压电电压常数g3 SXS0 6 单位无量纲Hzm mis m2/N 无量纲C剧或m/VVm/N或m2/C. CB/T 4314-2013 4.3.5 径向极化薄壁固管元件性能参数与横向长度伸缩模材料标准性能参数的比较从图9图12中找出对应于高与平均半径品之比的归一化值,用实用元件参数值M、fu,k11和 =8.5汉10r丁,士10%,!rf!J,J.jl):土4%1.3号! l 才1.20 1.05 0.90 、1.句2卜)、i、弘气;今、龟十号、.;, :;一;上J .L-1-. ;一礼飞二;; :一、.;一J勾L)j一,一卢;L句;
18、. _ j十i : i : ; hid I I I ” I I ,.一1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2. 图34轴向极化圆管元件纵向伸缩模弹性柔顺常数丛s归一化值随高度外径比h旬的变化1.00 。.980.96 0.94 0.9?. 寸、f一一斗一广二一一一一一fP-41 k. ! 0.62 0.90 I P-42 k,.? 0 63: 0.88 ?画十iP-43 k ,.?! 0.65; !L7十iiP-51 k阳主0.10:I! -1 4 .; . .:.一寸斗一lP-52 k ?! 0.70: 11- 0.86 0.84 0.82 叫l.号,i4;I P-81
19、C;i: 0.60; -7 i十寸十ji才r卜MfF寸丁一.-,-.了一1I I 10 1-2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2二4图35轴向极化圆管元件纵向伸缩模机电藕合系数k33归一化值随高度外径比h/d的变化23 CB/T 4314-2013 :rtElt1主副主二士飞二:仁:汇;仁、l=l位?”甲:tj二二:二:;二:;二r1三:tA1王若J.;二EttW;一1l二;L.二:t-jP-52 d: 5伽10丁i:;二i二二1.t=二句钮.L一j一牛一川l.S: i卢; 1 “Ir.挝江Jji.;J“凯.-:-;. ;、; - - :;:二:J二孟工:工11悦斗;十;一!十十才习
20、、乍牛牛、一j1.000 二r!;二十;二r寸寸寸:r=t寸图36轴向极化国管元件纵向伸缩模压电应变常数也归一化值随高度外径比h/d的变化24 CB/T 4314-2013 附录A(规范性附录中孔薄圆片外径内径比尼个与相应的IAI、!叫值中孔薄困片元件的外径内径比岛位与相应的I、!叫值见表A.1 表A.1 中孔薄圆片元件的外径内径比R/r与相应的IAI、叫值R/r o. 30 E=O. 32 aE=O. 34 o. 36 o. 38 机问IAI 叫扫i叫!Al 叫IAI 问I. 25 1. 064 7 5.612 3 1. 057 6 5. 775 9 1. 050 0 5.949 6 1.
21、041 8 6. 134 2 1. 033 6.330 9 1. 30 l. 085 1 5.573 9 1. 077 9 5. 735 9 1. 070 2 5. 907 8 I. 062 0 6.090 6 1. 053 6.285 4 I. 35 1. 104 9 5.531 5 1. 097 7 5. 691 6 1. 089 9 5.861 6 1. 081 6 6.042 4 1. 072 6.235 1 1. 40 1. 124 3 5.485 7 1. 117 0 5. 643 8 1. 109 2 5. 811 7 1. 100 8 5.990 3 1. 091 6. 180
22、 7 1. 45 1. 143 1 5.437 0 1. 135 8 5. 593 0 1. 128 0 5. 758 7 1. 119 5 5.935 0 1. 110 6. 123 0 1. 50 1. 161 5 5. 386 1 1. 154 2 5. 539 8 1. 146 3 5. 703 2 1. 137 8 5.877 1 1. 128 6.062 5 1. 55 1. 179 4 5.333 3 1. 172 1 5. 484 6 1. 164 2 5: 645 5 1. 155 7 5.816 9 1. 146 5.999 7 1. 60 1. 197 0 5. 278
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