摘要：采用新型的半钹式压电陶瓷-金属复合结构作为压电合成射流驱动器(PSJA)的驱动隔膜以达到提高驱动器输出射流速度的目的。建立了驱动隔膜的有限元模型，定义了两个无量纲隔膜尺寸特征参数δ1和δ2。通过数值分析获得了隔膜尺寸参数与隔膜动态特性的关系，并对隔膜的尺寸进行优化。制作了具有半钹式和平板式驱动隔膜PSJA试件，通过激光位移传感器测量隔膜的动态变形特性。研究结果表明，在相同的驱动与边界条件下，优化后的半钹式压电驱动隔膜能够获得高于平板型隔膜2.5倍的动态变形能力。

　　关键词：合成射流;压电驱动器;压电-金属复合结构;有限元分析;试验测试

　　中图分类号：TB53 文献标识码：A Research on a New Style Driving Membrane for PSJA ZHOU Yong, WANG Bang-feng, QIAN Huang-sheng, WANG Xin-wei

　　Abstract：A new half cymbal style piezoelectric ceramic-metal composite material membrane was proposed and investigated for piezoelectric synthetic actuator (PSJA) to induce higher output jet velocity. The FEM models of the membranes were established. And two dimensionless dimensions of membrane, δ1, and δ2, were defined and used to predict the dynamic characteristics of the PSJA membranes and to optimize the membrane structure. PSJA specimens with the plane and cymbal membrane were manufactured respectively. And experiment systems with the laser displacement transducer were setup to test the dynamic characteristic of membranes. The numerical analysis and experimental results show that the PSJA with the half cymbal style membrane can obtain more than 2.5 times deformation than the plane one under the same driving situation.

　　Key words：Synthetic jet; Piezoelectric actuator; Piezoelectric-metal composite; FEM; Measurement 合成射流由于可以实现延缓流场分离、加强或减弱混合、减少流体阻力以及抑制气动噪声与振动等而成为一种重要的流场主动控制方法。其驱动器形式有多种，如气体电弧加热[1]、声腔振动[2]、活塞式[3 4]以及压电驱动方式[5-7]等。由于压电合成射流驱动器(Piezoelectric Synthetic Actuator， PSJA)具有结构及控制简单、能耗低、尺寸小易于集成在结构中等优点，而成为一种极具有发展潜力流场主动控制驱动器。目前，PSJA多数采用平板型驱动隔膜。由于这种隔膜变形驱动能力有限，所以PSJA输出射流速度较低，成为限制PSJA应用与发展的主要问题。本文提出一种新颖的半钹型压电陶瓷-金属复合结构(Half Cymbal Piezoelectric-metal Composite Structure, HCPCS)作为驱动器的隔膜，以提高隔膜的振动变形能力，达到提高射流输出速度的目的。并通过FEM方法分析HCPCS的动态特性并优化结构尺寸。对半钹式PSJA隔膜变形实测结果表明了HCPCS隔膜的高效性。

　　1 HCPCS 的FEM模型与仿真

　　Cymbal型压电陶瓷-金属复合结构由于其优越的变形驱动性能，而常被用于制作传感器和驱动器[8-10]。在此基础上提出的HCPCS振动隔膜结构如图1所示。HCPCS的变形由PZT的d33效应引起的纵向形变和由d31效应引起的径向伸缩以及由此产生的金属帽弯曲变形叠加复合而成，所以具有变形放大作用。

　　本文采用ANSYS建立HCPCS隔膜的FEM模型，并分析HCPCS结构的动态特性。对于压电分析，采用四自由度的Solid98单元构造压电片FEM模型，分别对应于节点三个方向的位移以及电压。金属隔膜FEM模型同样选取Solid98单元，但只有三个位移方向的自由度。然后将PZT和金属隔膜粘接，构成PSJA隔膜的实体模型。图2a为HCPCS

　　的一个有限元网格模型实例。

　　FEM分析求解中，采用黄铜箔作为金属隔膜，压电片为PZT5。材料参数如表1所示。仿真中用到的5个压电常数分别为：d31=d32=-236.52，d33=500.66，d42=d51=739.13(单位：×10-12m/V)。仿真中沿着HCPCS隔膜外缘施加环形零位移约束条件，在PZT上下表面节点施加峰-峰值为300V可变频率的频率AC正弦电压信号作为电载荷。最后，通过数值谐响应分析，获得HCPCS的仿真动态特性。由于PSJA隔膜振动属于高频小振幅振动，所以PSJA工作时，腔体容积变化不大，因此，为了降低问题复杂性，仿真中忽略了PSJA腔体内部流场对隔膜振动的影响。图2b给出了一个谐响应变形仿真结果的实例云图。

　　为了优化HCPCS结构以便获得更大的隔膜振动变形，定义了两个无量纲尺寸参数δ1和δ2：

(1)

(2)

　　其中，δ1为PZT片与隔膜外径之比，反映了PZT片相对于隔膜的大小对隔膜变形的影响;δ2为金属隔膜帽形结构的梯度，它反映了金属帽形梯度对HCPCS结构动态变形的影响。

　　2 仿真结果与分析

　　2.1 δ1对隔膜动态变形特性的影响

　　表1 PSJA驱动隔膜材料参数 密度ρ

　　(Kg/m3) 弹性模量

　　E (GPa) 剪切模量

　　G (GPa) 泊松比

　　μ 介电常数