壓電圓環複合薄膜於聲學元件之設計開發

Abstract

" 本研究透過理論分析和有限元素法數值模擬，先各別探討串聯型雙層壓電陶瓷圓環於自由邊界條件下的面外振動特性；以及具有特定張力大小的圓形、環形薄膜於軸向無阻尼外圈固定下的振動特性，接著以機電聲類比轉換電路導入空氣阻尼項，模擬薄膜實際在空氣中振動所受到的空氣負載效應(loading effect)。最後以類自由邊界條件將兩元件複合，探討串聯型雙層壓電陶瓷圓環複合圓形薄膜結構之振動與聲學特性。 使用全域式電子斑點干涉術(Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI)、雷射都卜勒振動儀(Laser Doppler Vibrometer, LDV)兩種實驗技術量測此複合結構的振動特性，並與理論解析、有限元素法數值模擬進行比較，針對圓形薄膜所附有的張力值以量測到的共振頻率帶回理論公式計算所得。 綜合上述的分析方法，本研究設計出一款串聯型雙層壓電陶瓷圓環複合圓型薄膜之複合聲學元件，使用有限元素法模擬此聲學元件的聲壓曲線(Sound Pressure Level, SPL)，達到尺寸最佳化的設計。並提出聲壓理論分析，利用LDV量測實際位移後，帶入雷利積分公式探討活塞(piston mode)和節圓模態(symmetric mode)對頻率響應的貢獻，最後與實際聲學測量(AM)的結果進行比較，以佐證有限元素法和理論應用於聲場的計算結果。 本研究結合理論解析、數值分析與實驗量測，以壓電圓環複合薄膜設計複合聲學元件的研究方法，可應用於新型揚聲器最佳化聲場增益特性之聲音品質的開發。"