管道检测用圆弧形复合超声波振子设计

针对自主研发的球形管道检测器的定位需求,采用圆弧形压电陶瓷与检测器金属球壳本体相结合的方式,设计了一种圆弧形复合超声波振子.基于压电方程,采用直接耦合分析方法将机械参数和压电参数统一到同一个分析式中,对圆弧形压电陶瓷与金属球形壳体的耦合振动特性和机电能量转化效率进行理论分析.在此基础上,通过基于有限元的数值仿真方法对其进行模态分析和谐响应分析.经过分析可知:所设计的圆弧形复合超声波振子有两个明显谐振频率点,分别为52.1 kHz和76.2 kHz,而在76.2 kHz下的机械品质因素和有效机电耦合系数等性能指标均优于52.1 kHz,且主要振型为径向振动为主的有弯曲振动.经过对实际研制的圆弧形复合压电振子进行阻抗分析可见,实际主谐振频率为72 kHz,在不同工作频率下实际测量的驱动波形结果与仿真分析趋势一致.     

一种新的声带振动模型

根据人体声带的生理结构和振动特性,提出了一种利用双叠片矩形压电振子换能器来模拟声带的振动模型,并依据弹性力学理论和换能器的基本理论,推导出了这种声带模型的频率特性,最后分析了声带的参量与振动频率之间的关系。结果表明:利用双叠片矩形压电振子换能器来模拟声带是可行的;声带材料的比模量越大,振动频率越高;声带的长度越大,振动频率越低;声带的厚度越大,振动频率越高,反之亦然。     

弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究

对弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及辐射声场进行了研究.该换能器由中心激励的弯曲振动圆盘及纵向振动夹心式压电陶瓷换能器组成.对圆板的轴对称弯曲振动进行了分析,得出了边界简支薄圆板的共振频率方程,推出了夹心式换能器与弯曲圆盘复合振子的机电等效电路及总体频率方程,并求出了其辐射远场声压分布指向性的解析表达式及换能器辐射近场的三维声压分布.结果表明,弯曲圆盘换能器的近场声压分布同样具有指向性,且主要分布在与换能器横向尺寸相同的空间内.对于弯曲振动圆板不同振动模式,等效电路参数及声场分布和指向性不同.     

复合压电振子的ANSYS模态分析

在ANSYS的软件平台上,利用有限元分析方法对复合压电圆片振子进行建模仿真实验,得到在不同边界条件下复合压电振子弯曲振动一阶模态及振幅分布图,仿真振动频率与理论计算值非常接近.相对传统振动模式分析方法,此方法更为简单、直观.     

磁电复合振子PbZr_(0.48)Ti_(0.52)O_3/Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)的电容型磁阻抗效应

谐振频率及阻抗匹配是压电换能器中十分重要的参数.基于压电陶瓷圆环Pb Zr_(0.48)Ti_(0.52)O_3(PZT)和磁致伸缩材料铽镝铁Tb_(0.3)Dy_(0.7)Fe_(1.92)(TDF)构成"环-环"磁电复合振子,实验研究磁场作用下,由磁电复合振子的有效介电常数变化引起的电容型磁阻抗以及磁控谐振频率偏移效应.实验结果显示,谐振频率和反谐振频率下的磁阻抗可达18%、32%;当磁场为800 m T时,谐振及反谐振频率的最大偏移量约为9 k Hz.利用复合材料的磁-力-电耦合效应,对电容型磁阻抗及磁控谐振频率偏移进行了理论分析.本研究为解决压电换能器谐振频率的漂移问题及阻抗匹配提供了实验及理论基础.     

夹心式纵-弯复合振动模式超声换能器的研制

研究了一种新型的夹心式纵－弯复合振动模式压电超声换能器．这种换能器用两套压电陶瓷片分别产生纵振动和弯曲振动．利用波动方程的通解,再加上边界条件,推出了纵振动和弯曲振动的频率方程．由频率方程设计出换能器的尺寸,使两种振动模式工作在同一频率．为验证设计理论,制做了一个频率为１０ｋＨｚ的换能器．实验结果表明,换能器的共振频率与设计值基本吻合．     

复合棒压电纵向振动换能器中的弯曲振动

采用有限元方法，研究了复合棒压电纵向振动换能器前辐射头两端自由及小端面中心固定时的弯曲振动模态及与几何尺寸之间的关系；探讨了换能器多模振动特性与前盖板几何尺寸之间的变化关系．结果表明，换能器前两个频率间距取决于前盖板前端直径与前盖板厚度之比，比值变大，两频率间距变小；比值变小，两频率间距将会拉大．     

一种内贴片式压电泵的结构设计与理论分析

针对无阀压电泵的输出压力小的问题,提出了一种内贴片式无阀压电泵.压电泵采用螺纹配合结构,由压电振子和螺杆组成,其中压电振予包括金属基体和压电陶瓷片.压电振子通过交流电信号形成旋转弯曲运动,与外部衬套配合形成可移动空腔运输液体.首先进行了模态理论分析,构建了水环境下的流固耦合运动方程.接着利用有限元软件对压电振子进行了模态分析.结合频率一致性和相邻干扰模态设计要求,对压电振子的结构参数进行优选.对压电振子的湿模态进行了仿真分析.结果 表明:与空气条件下相比,水环境下的振动频率较低,下降了343.7 Hz和326.4 Hz,并且频率一致性更差,这为后续压电泵研究分析打下了基础.     

压电双晶片弯曲振动频率方程及其位移解

利用小挠度理论推导设计压电双晶片弯曲振动的频率方程,得到其弯曲振动位移解.利用有限元方法计算压电双晶片弯曲振动的谐振频率.对研制的压电双晶片振子测得其谐振频率,测试结果与有限元计算结果、利用压电方程和小挠度理论推导的频率方程求得的结果相吻合.这说明,所推导的频率方程可于设计自由边界压电双晶片振子.     

一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性研究

研制了一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器,并对其径向振动特性进行了理论及实验研究.该换能器由一个厚度方向极化的压电陶瓷薄圆环及一个金属圆环组成.对压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动分别进行了分析,得到了各自机电等效电路.在此基础上,利用换能器径向力及径向振动速度的连续条件,得出了压电陶瓷径向复合超声换能器机电等效电路及其共振频率方程.分析了换能器的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系.结果表明,在换能器压电陶瓷圆环内外半径保持一定情况下,换能器半径比增大时,共振及反共振频率随之增大.对于换能器第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随半径比增大单调增大,而第二阶径向振动有效机电耦合系数随半径比增大单调减小.     

压电陶瓷换能器在超声波测距仪中的应用

文章介绍了超声波测距的原理,论述了超声波测距仪的主要部件——压电陶瓷换能器的结构设计。证实将振子设计成压电陶瓷和金属片的矩形粘合片的形式,可实现与空气声阻抗良好的匹配。并当谐振频率为36kHz时,弯曲振动模式产生的超声场呈扇形,使所发射的超声波在空气中的传播效率较高,满足了仪器对检测范围、精度和灵敏度的要求。     

压电换能器的声非线性

通过对输入回路中的电流进行谐波分析,得到了在不同输入信号电压下的非线性信号强度,并以此来表征压电换能器本身振动非线性的大小。     

管形径向复合压电陶瓷超声换能器

对一种圆管形径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性进行研究.该换能器由径向极化薄壁压电陶瓷短圆管与薄壁金属短圆管径向复合而成.基于弹性力学理论和机电类比原理,建立了换能器径向振动机电类比等效电路,并推导出其径向共振频率、反共振频率方程及有效机电耦合系数的解析式.实验加工了一些径向复合换能器样品,并对其径向共振频率及有效机电耦合系数进行了测试.结果表明,理论与实验测试结果相吻合.     

大功率径向振动压电超声换能器

对一种大功率径向复合圆管压电超声换能器的径向振动特性进行了研究.依据机电类比原理,推出了换能器的径向振动等效电路及共振频率方程;探讨了换能器的第1、第2阶共振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的关系;实验测量了换能器的径向共振频率.结果表明,换能器径向共振频率的理论值与实测值符合较好.     

矩形辐射体夹心式复频超声换能器研究

研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射体夹心式复频超声换能器．换能器由圆柱形后盖板、压电陶瓷晶堆及矩形六面体前盖板组合而成．根据表观弹性法和一维纵向振动理论。给出了此类复频超声换能器横向（x，y方向）及纵向（z方向）共振频率方程．用有限元法对给定具体尺寸的此类换能器进行了模态和谐响应分析，得出了其频率输入导纳曲线．理论和数值计算分析表明。此类超声换能器具有多个共振频率，可在不同振动模态上工作，达到了利用同一尺寸超声换能器产生多个共振频率的目的．     

夹心式扭转-弯曲复合模式压电超声换能器的研究

在均匀截面细棒扭转及弯曲振动理论的基础上,研究了一种夹心式扭转－弯曲复合模式压电超声换能器．该换能器由均匀截面金属细棒及两组极化方向不同的压电陶瓷元件组成．文中导出了换能器的共振频率设计方程,并从理论及实验上实现了同一换能器中扭转及弯曲振动的同频共振．实验表明,换能器的扭转振动共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,实测值与设计值基本符合．     

纵弯复合模式超声换能器设计

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成.采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器.实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合,达到预期设计目标,这种六边形辐射板换能器可应用于特殊环境的超声测量,或应用于超声生物处理和声化学反应设备中,对该换能器的设计和理论模拟有利于更好掌握其振动特性及其产生的声场分布,对实际应用有指导意义.     

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.     

强磁场、高电压环境下使用的光纤振动传感器设计

利用光纤具有的抗电磁干扰等优点。结合发电机端部线圈振动测试的特点即振动主要成分为100Hz频率,设计了一种光纤振动传感器。传感器输出为脉冲波,通过记数方式实现振动的测量,因此测试精度较高且相应的测试部分容易实现。介绍了传感器的设计原理,并将该传感器在标准振动模拟台上进行试验,给出传感器的实际输出波形。