用1—3压电复合材料设计低旁瓣水声换能器

报道采用1—3压电复合材料设计低旁瓣换能器的方法，可使单个换能器获得低于-25dB的旁瓣级从而显著优化波束。该方法以1—3压电复合材料为换能材料，在设计过程中通过控制换能器的辐射面的形状来对换能器实现窗函数加权，达到控制波束的目的。本文举例阐述设计方法，所提供的实验数据证明了本方法的工程可行性，并与国外同类典型产品进行性能比较。     

夹心式换能器损耗与工艺及结构关系研究

本文从传统的等效线路出发,讨论了换能器的表面制作工艺,即结构损耗对换能器内部机械阻抗及谐振频率的影响,结果表明,对称型结构的换能器机械损耗最低。     

螺旋开槽结构低频换能器的性能分析

设计了一种大振幅低频换能器,该换能器由圆柱管、螺杆、压电陶瓷环及后盖板组成,并且在圆柱管表面刻螺旋型槽。利用等效电路法和有限元方法,对换能器的导纳特性及辐射表面的振幅进行分析,得到了圆柱管的螺旋槽数量及后盖板厚度对换能器振动性能的影响。仿真结果表明,对圆柱管进行开槽,能有效减小换能器的工作频率,增大换能器的振幅。     

基于类 1-3-2 型压电复合材料高频水声相控阵换能器研究

对基于类1-3-2型压电复合材料的高频相控阵换能器进行了理论分析和实验研究.通过切割与填充去耦材料制作类1-3-2型压电复合材料,并对类1-3-2型压电复合材料的基元进行布阵,在二维方向上形成4个子阵.通过对子阵适当相移,抑制主瓣和保留栅瓣,在空间上形成所需的发射与接收波束.实现了通过一个多元平面阵列形成4个所需的指向性波束,测速时避免了声学补偿.与传统使用4个活塞型收发换能器形成指向性波束的方法相比,相控阵换能器的几何尺寸显著减小.研究结果表明,基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器具有高发射响应,宽频带,波束一致性好,结构紧凑,制作工艺简单可靠等优点.     

热超声封装高频换能器的动力学优化设计

为提高热超声封装效率、降低封装温度,研究了高频超声换能器的动力学优化设计．基于一维振动和波动理论,建立了换能器的解析模型,得到了压电振子、指数形聚能器和劈刀的波动方程．借助有限元分析软件ANSYS参数化建模,分别对压电振子和聚能器进行优化设计．考虑材料、形状和尺寸对其振动特性的影响,得到了换能器最优模型．通过阻抗分析仪和多普勒激光测振仪对换能器进行电谐振和机械谐振测试．实验结果表明,该换能器在其工作频率附近不存在非纵振模态和其它寄生的振动形式,从而方便了超声信号发生器设计.     

压电换能器与匹配电感的耦合振荡

从耦合振荡的角度,讨论了压电换能器与匹配电感之间的关系及其对换能器谐振特性的影响。     

夹心式功率超声压电换能器负载特性研究

在等效电路理论的基础上，对大功率夹心式压电超声换能器的负载特性进行了研究，重点讨论了两种常用的负载，即超声清洗等液体处理技术中的液体负载以及用于超声加工和超声钻孔等技术中的固体负载，探讨了负载对换能器共振频率的影响。结果表明，对于液体介质，当液面的高度在一定范围内增大时，换能器的共振频率会降低，当液体负载横截面积增大时，液面高度对换能器共振频率的影响增大，对于固体负载，当超声加工工具的长度减小时，换能器振动系统的共振频率升高，当超声加工工具的横截面积较小时，工具长度对换能器系统频率的影响很小。     

声子晶体结构在换能器匹配层中的应用

将声子晶体结构用于换能器匹配层中,利用声子晶体的能带特性改善换能器的匹配性能。研究了厚度振动超声换能器中声子晶体型匹配层的参数变化对换能器频带宽度、发射电压响应和辐射特性的影响,建立了声子晶体型匹配层厚度振动换能器等效电路模型,并利用传输矩阵计算了匹配层的声能量透射系数。研究结果表明:合理选择声子晶体型匹配层的材料和厚度,可以使换能器的频带宽度扩大一倍;并且将换能器的共振频率处于声子晶体结构的通带范围内,可以使声能量透射系数接近于1。     

用于超声手术刀的夹心式换能器设计与有限元分析

传统的换能器设计方法成本高、效率低。利用理论计算并结合有限元方法设计了55 000 Hz的超声手术刀用压电换能器,以提高设计效率并验证方法的可行性。超声换能器设计为夹心式结构,使用PZT-8型压电陶瓷进行设计与仿真。首先理论设计出换能器各部件的初始尺寸并进行三维建模,将模型导入Workbench软件进行模态分析与谐响应分析,提取换能器工作时的谐振频率与输出振幅,并确定换能器最终尺寸。根据最终尺寸加工并装配得到实体换能器。最后利用阻抗分析仪对实体的谐振频率进行测量。结果表明,简化后的仿真模型谐振频率与实测值近似相等,为54 980 Hz。证明了设计思路的合理性与可行性,并对换能器的工作方式与优化设计提供了参考帮助。     

多通道数据采集与处理系统在深水网箱鱼群监测中的应用

深水网箱中的鱼群安全是深水网箱养殖发展中的一个重要问题.提出了一种采用多波束水声换能器(8波束)分区扫描深水网箱对网箱中鱼群分布状态进行实时监测的新方法,设计了一个基于先入先出技术(FIFO)和虚拟仪器技术(LabVIEW)的多通道数据采集、传输和处理系统,实现了深水网箱鱼群实时监测系统中8个通道回波信号的并行采集和实时处理、深水网箱海上养殖现场与陆地岸站之间的无线数据传输及终端显示等功能.海上现场试验结果表明:系统性能稳定,多通道数据采集与处理系统实时性强、操作使用方便,通过无线数据传输在岸站能实时监测到深水网箱内的鱼群分布和网衣状态,在推广深水网箱养殖安全配套设施上具有广泛的应用前景.     

外接电感对轻负载阶梯型换能器频率的影响规律

现功率超声技术已被大范围应用,在实际加工中,其振动实现器件换能器的工况取决于外接负载阻抗的大小变化以及加工过程中换能器的温度变化;随着负载变化,换能器的谐振频率也将发生改变,导致与发生器输出频率不匹配,从而对换能器的输出振幅及加工效率产生负面影响。为得到规律,分别使用换能器的理论设计、仿真以及试验方法研究了轻负载下外接电感对换能器谐振频率的影响。结果表明：随着换能器变幅杆伸入水中长度的增加,换能器的谐振频率呈上升态势;通过外接调谐电感,换能器谐振频率会得到一定量的补偿,使其重新回到预先设定的频率值;随着外接电感值的增大,换能器的谐振频率会下降。可见使用电感负载可以有效解决换能器外接负载导致的频率漂移问题。     

压电陶瓷位置对换能器耦合振动特性的影响

基于表观弹性理论,给出了压电陶瓷晶堆处于不同位置时耦合振动换能器的设计方法.在理论推导的基础上,借助有限元软件Ansys,研究了晶片位置对换能器耦合振动特性的影响.结果表明,随着陶瓷晶堆远离换能器位移节面,有效机电耦合系数和动态电容逐渐减小,静态电容、动态电阻和动态电感增大.同时,加工了相应尺寸的换能器,对其性能参数进行了测试,理论计算和实验测量结果符合较好.     

电动式换能器：结构、性能及其在声学模拟和校准中的应用与发展趋势

电动式换能器以其小尺寸、超低频、超宽带发射的特点,在舰船辐射噪声模拟、声呐系统校准等领域具有广泛应用。总结了电动式换能器的结构及性能特点,讨论了超低频、超宽带发射的原理,回顾了电动式换能器驱动磁路优化、工作频带拓宽、工作深度提升等相关工作。针对电动式换能器研究中的非线性问题,提出了优化驱动磁路来降低输出力的非线性效应、改善电动式换能器与功率放大器的阻抗匹配以降低波形畸变及谐波失真。对于声腔对换能器性能的影响,可以通过在声腔内充入特性阻抗较小的气体以抑制声源级响应起伏现象。电动式换能器未来的研究应以改善大深度环境下超低频段的声辐射性能、提升连续工作时间及可靠性、降低非线性失真为主要方向。     

偶极子声换能器的研究及其在声测井的应用

主要介绍了作用金属与压电陶瓷构成的弯曲振动换能器作为偶极子声源以实现直接横波测井的原理与方法。理论计算给出了换能器的串联共振频率及其与几何参量α和β的关系。并在空气中对换能器的频率特性、方向性、发射灵敏度等参数进行了测量。     

超声换能器暂态声场的理论分析与计算

把超声换能器所发射的脉冲波近似为理想高斯调制脉冲波 ,利用亥姆霍兹 -基尔霍夫积分定理 ,通过傅立叶分析的方法从理论上推导出了换能器暂态辐射声场的积分表达式和圆形平面活塞换能器中心轴线上暂态辐射声场分布的解析表达式 ;并对其边缘波和平面波进行了讨论。计算结果表明 ,利用该方法对换能器暂态辐射声场进行数值模拟是十分有效的     

点缺陷正方晶格声子晶体的大尺寸压电陶瓷复合换能器

为了保证大尺寸夹心式压电陶瓷复合换能器的纵向工作效率,减少纵、横振动之间的强烈耦合,改善换能器前辐射端面的纵向位移分布均匀度,本文在大尺寸夹心式压电陶瓷复合换能器的前盖板上,加工了3行3列与换能器轴向平行的按正方晶格排列的二维空气圆柱孔,并通过改变3×3超元胞中心空气圆柱孔的半径来引入点缺陷,构造基于半径异常型点缺陷的二维正方晶格近周期声子晶体.该设计不仅可以利用晶体在径向的不完全带隙对大尺寸压电陶瓷复合换能器的横向振动进行抑制;还可以利用点缺陷的Anderson局域化特性,调控局域声场的强度和相位,进一步改善前盖板辐射面的位移分布均匀度;另外,本文分析了点缺陷空气圆柱孔的结构参数对换能器纵向共振频率以及纵向振动位移分布的影响规律.仿真结果表明,基于点缺陷声子晶体的大尺寸压电陶瓷复合换能器能够有效抑制换能器轴向的杂散模态、大幅优化辐射面纵向位移分布,改善大尺寸压电陶瓷复合换能器的性能.     

压电换能器与匹配电感的耦合振荡

从耦合振荡的角度,讨论了压电换能器与匹配电感之间的关系及其对换能器谐振特性的影响．结果表明,换能器的实际工作频率不仅取决于自身谐振频率,而且与它和匹配电感的耦合状态有关．确定工作频率,应将系统工作效率当作一个重要因素加以考虑     

径向夹心式复合换能器径向振动特性研究

研究了一种新型径向夹心式复合换能器的径向振动。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆环及内外金属环构成。获得了压电环及金属环的机电等效电路,根据机械边界条件,得到换能器的三端机电等效电路,并求得换能器的频率方程。得到共振频率反共振频率以及有等效机电耦合系数与复合换能器几何尺寸间的理论关系。同时用有限元方法对换能器的径向振动进行模拟仿真,并实验测量了换能器的共振与反共振频率。结果表明,理论计算、模拟仿真以及实验测量结果符合较好。     

面向超声喷丸的纵弯复合换能器设计与分析

为解决当前超声喷丸枪在狭小空间内难以加工壁板的问题,设计了一种纵弯复合模态的夹心式压电超声喷丸换能器.采用COMSOL仿真软件,对换能器进行模态分析,计算得到纵振和弯振的谐振频率,并改变尺寸使换能器在2种模态下均呈现较大的振幅.采用多普勒测振仪对换能器工作端面扫频,纵振与弯振振幅分别为1.0和0.8μm,经匹配后振幅各增长了40%和50%.利用激光位移传感器测得2种模态下撞针振幅均可到达1.2 mm.同时,对2024-T351铝合金板件进行了超声喷丸成形试验,并采用X射线法对喷丸后板件中的残余应力进行了检测.超声喷丸成形试验和残余应力检测表明,板件喷丸后发生不同程度的变形,且板件中的残余压应力最大可达250 MPa,验证了纵弯复合换能器的有效性.     

复频聚焦超声换能器及其辐射声场的研究

研制了一种新型复频聚焦超声换能器 .从理论上计算了辐射声压在轴向上的分布曲线 ,进而确定了焦区位置 ,理论分析与实验结果符合较好 .对换能器的焦区声场作了定标