\s \s \s \s \s \s 0.5。隔膜的驱动与边界条件与前述仿真情况相同。由图4a可知，金属帽形状参数δ2对结构一阶固有频率的影响很小，特别当结构整体尺寸较大时，δ2对结构一阶固有频率几乎没有影响。但是，随着隔膜直径的减小，频率显著增加。这表明，隔膜直径是决定隔膜结构一阶固有频率的主要因素。

　　图4b所示的仿真结果说明，梯度参数δ2对结构谐响应最大变形是有影响的，而且也存在一个最优值使得谐响应最大变形达到最大。这里δ2的最佳取值在1.25附近。但是，δ2对变形的影响远不如δ1显著，所以，δ2不是决定隔膜最大变形能力的主要因素。但对δ1和δ2的合理组合可以获得更大的HCPCS隔膜振动变形能力。计算结果表明，在PZT片直径为20mm的条件下，当δ1=0.5，δ2=1.25时，HCPCS隔膜谐响应最大变形为167mm，相应优化的平板结构(δ1=0.3)变形为64mm。HCPCS结构

　　最大谐振变形量约为平板结构的2.6倍。

　　3 试验测试

　　3.1 试验样件及装置

表 2. 试验样件尺寸(单位：mm) No. d1 d2 δ1 δ2 1 30 15 0.5 -(平板) 2 25 15 0.6 1 3 30 15 0.5 1 4 35 15 0.43 1 金属隔膜和PZT片厚度分别为 0.05mm 和 0.25mm 图5 试验测试系统及试验样件照片 为了验证HCPCS隔膜的变形驱动能力和仿真结果，本文制备了3个HCPCS隔膜及1个平板隔膜PSJA样件，并对隔膜振动变形进行了测试。驱动器由三层外径相同的有机玻璃圆片和压电振动隔膜叠压组成。其中，底层和中间层为内径相同的环状有机玻璃薄片。环片的内径和厚度(2mm)确定了PSJA腔体尺寸。在底层和中间层之间夹持固定压电振动隔膜。顶层圆心开直径为1mm小孔，作为驱动器的射流出口。最后，各层间涂抹密封胶，利用螺钉将各层叠加紧定成一体形成PSJA。表2给出了驱动器的尺寸。 图7 四个试验件隔膜变形频谱特性对比 \s 图6 平板型及HCPCS隔膜谐响应变形仿真与试验结果比较

　　(a) 平板隔膜谐响应变形 (b) HCPCS隔膜谐响应变形

(a) (b) \s 试验测试中，由信号发生器(Agilent 33120a)产生不同频率的正弦电压信号，经过功率放大器(HVP-3000)放大到300VP-P后，施加在固定于台钳上的PSJA试件，激发隔膜振动。隔膜的振动变形由非接触式激光位移传感测量系统(KD-300)测量，并由基于PC机的数据采集系统采集、存储和分析。图5为试验测试装置照片及驱动器样件照片。3.2 试验结果

　　首先分别对4个PSJA试件在不同频率信号激励下隔膜振动最大变形进行实测并与数值分析结果进行比较。图6为平板型试件和试件3的实测与数值分析结果。由图可知，数值仿真与实测结果具有较好的一致性。虽然实测的隔膜最大振动变形与一阶谐振频率均小于数值仿真的结果，但两者的最大相对误差均小于15%，说明本文隔膜FEM模型及计算结果是可以接受的。导致误差的原因主要在于仿真中忽略了PZT片与金属隔膜的粘接层以及腔内流场对隔膜振动的影响等。

　　图7是4个PSJA试件在不同频率信号激励下隔膜振动最大变形的实测结果。由图可知，当δ1=0.5时，HCPCS隔膜具有明显高于平板结构以及其它不同δ1值的HCPCS隔膜的变形能力。特别是当激励信号频率接近隔膜的一阶谐振频率时，可以得到最大的隔膜振动变形。所以，通过优化隔膜形状和尺寸可以有效提高隔膜的振动变形驱动能力。仿真和实测结果表明，为了提高隔膜的振动变形能力，δ1=0.5是较佳选择。实测结果与仿真结论相符。

　　4 结论

　　仿真和试验结果表明，在相同的边界和驱动条件下，HCPCS振动隔膜可以获得明显高于平板型隔膜的振动变形能力。HCPCS隔膜的结构尺寸参数δ1和δ2对隔膜振动变形能力均有影响。但是，δ1的影响是显著和主要的。通过δ1和δ2的优化组合，可以实现HCPCS隔膜的最大振动变形(本文δ1=0.5、δ2=1.25)。文中HCPCS隔膜最大振动变形达到平板型最大变形的2.5倍以上。隔膜振动激励信号频率也是一个影响PSJA驱动能力的重要因素。当激励信号频率接近或等于隔膜一阶谐振频率时，HCPCS隔膜振动变形以及PSJA的射流输出速度同时达到最大值。另外，在仿真过程中，虽然忽略了PSJA腔内流场对隔膜动态特性的影响，但是，试验结果表明该假设对本文仿真结果的影响不大，所以，本文隔膜结构FEM模型是可靠的。

　　参考文献

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