城市供水管网作为城市生命线的重要组成部分,发生泄露不仅会造成大量的经济损失,还会引发地面塌陷等一系列问题,危害人们的生命财产安全。因此对供水管网的泄漏进行检测和定位至关重要。漏失检测球因其使用方便,不会损坏管道等优点而被应用于供水管网检测。超声波作为漏失检测球的核心部分,对球在管道的跟踪定位及泄漏点的误差修订起到至关重要作用。本文从减小能量损失、提高有效机电耦合系数的角度出发,考虑压电陶瓷和球壳的材料、形状、尺寸和压电陶瓷与金属球壳间的接触状态等因素的影响,分析了压电陶瓷和球壳结构间振动特性和导纳特性的变化规律,研究了不同因素水平下压电陶瓷与金属球壳的耦合谐振特性规律,完成最优水平条件下结构设计和性能参数选择。本文研究内容如下:1、通过对压电材料的相关性能进行分析,研究压电陶瓷片特征参数,选取了PZT-4材料,分析了压电材料的压电方程,建立了压电性能参数及各向极化下的参数矩阵模型。应用压电理论和有限元分析相结合的方法,研究了复合压电振子机电耦合特性,建立了复合压电振子结构动力学特性分析模型。2.研究了弧形接触面复合压电振子和平面接触面复合压电振子结构动力学特性,分析了影响金属球壳和压电陶瓷耦合振动的相关因素,设计了正交试验,应用有限元方法分别对弧形接触面和平面接触面复合压电振子进行模态和谐响应进行分析。应用模态分析研究复合压电振子的模态振型和径向振动频率,应用谐响应分析研究了激励电压下的振幅特性和导纳特性规律。3.应用极值分析法和方差分析法对正交实验的相关指标进行分析,研究弧形接触面和平面接触面复合压电振子在各因素各水平的影响特性,完成复合压电振子的最优水平设计。最后通过弧形接触面和平面接触面性能指标对比分析,得出弧形接触面复合压电振子工作性能更好。4.应用有限元分析与实验结合的方法,完成弧形接触面和平面接触面复合压电振子的性能参数测量,对比分析得出了弧形接触面复合压电振子工作性能更好,与仿真分析结果一致。通过搭建实验平台研究耦合剂对粘贴后复合压电振子性能的影响,得出环氧树脂作为耦合剂时复合压电振子结构具有更好的性能。图[45]表[30]参[62]