声速测定中换能器接收信号探析

对声速测定(超声)实验中接收换能器在入射波和反射波激励下,换能器的响应信号进行了分析.推导出了叠加信号的表达式,指出该信号为一振幅随位置周期性变化的简谐波,两相邻极值振幅时接收换能器相应位置差为半波长.     

新型宽带圆管换能器研究

提出了一种实现圆管换能器宽带指向性发射的方法.从压电陶瓷圆管模态激励方式和换能器宽带形成机理研究出发,应用有限元方法对压电圆管换能器进行研究.利用Ansys软件建立了圆管换能器的有限元模型,旨在优化换能器结构,分析换能器振动特性、电导特性和辐射特性.在此基础上,设计和制作了一个采用复合激励方式、利用压电圆管一阶呼吸模态和二阶偶极子模态的宽带指向性圆管换能器.结果表明:换能器工作带宽为15~30 kHz,发送电压响应起伏不超过±4dB,具有良好的心形指向性.     

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.     

纵振复合双足直线超声电机

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种纵振复合双足直线超声电机.该电机由两个竖直纵振换能器和一个水平纵振换能器组成,水平纵振换能器上变幅杆末端小端面与竖直纵振换能器变幅杆大端侧面结合,且变幅杆为采用一整块硬铝合金加工而成的一体件.对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并.采用多普勒激光测振仪对样机振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好.机械输出特性测试结果表明,样机最大速度为602 mm/s,最大推力达32 N.     

基于ANSYS的换能系统的模态分析

超声换能器是在微电子制造超声键合工艺中的一个重要部件,了解超声换能器的振动模态是非常有必要的。用有限元分析软件ANSYS仿真,得到换能系统的多种振动模态,进而得出其工作频率和主模态。     

径向扭转复合型超声换能器等效电路研究

对径向扭转复合型超声换能器进行了研究.从波动方程出发,不考虑径向扭转振动耦合,推导了换能器中径向振动及扭转振动模式的各自机电等效电路.在此基础上,得出了换能器空载时共振频率方程及其共振频率的表达式,并用有限元方法对此换能器进行了计算机仿真实验.结果表明:等效电路计算的换能器径向及扭转共振频率的理论计算值与计算机仿真值一致.     

冲击加载对爆电换能器电输出特性的影响

为阐明自供能装置中以压电陶瓷为核心装置的动态响应特征,通过模拟自供能技术中爆电换能器冲击压电陶瓷的真实工况,揭示了冲击应力对压电陶瓷电输出特性的影响.利用霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)作为冲击装置,通过改变子弹的冲击速度进行冲击PZT-5压电陶瓷实验.同时利用有限元分析软件进行冲击压电陶瓷的有限元分析,将实验结果与仿真结果进行对比.结果表明:实验结果与仿真结果基本吻合,冲击速度在7～31.3 m/s时,通过改变爆电换能器的冲击速度可以改变爆电换能器的输出电压峰值,并且爆电换能器中的压电陶瓷受到的冲击应力峰值与压电陶瓷产生的电压峰值呈正相关.     

单个厚电极超声换能器振子的频率方程

旋转超声加工是加工硬脆材料的一种较好方法。为实现长时间连续稳定工作,必须使用厚电极的超声换能器振子。目前,对厚电极换能器振子的研究较少,使用时一般使用近似计算与实验调整相结合的方法。为了较精确地设计厚电极超声换能器振子,类比薄电极换能器振子的研究方法,推导了单个厚电极节面在能器振子中间时的频率方程,并使用模态实验分析和有限元仿真相结合的方法进行了验证,结果表明:在给定的电极厚度范围内,换能器振子的谐振频率误差小于5%,完全满足工程应用的需要。     

新型复合结构超声换能器的研制

为提高超声换能器的性能,提出一种新型的复合结构超声换能器,这种结构的超声换能器在同一只换能器中使用两种压电材料--压电陶瓷(PZT)和压电薄膜(PolyyinylideneDifluoride,PVDF),前者用于发射;后者用于接收.应用KLM(Krimholtz,LeedomandMattaei)机电耦合等效电路模型对这种换能器作了理论上的分析,并实际制作了这种复合结构的超声换能器.理论和实验结果均表明,该复合结构的超声换能器具有较小的输入功率损耗和相对较短的回响.     

矩形压电陶瓷超声换能器的弯曲振动

利用等效弹性法分析了矩形陶瓷超声换能器在不同条件下的弯曲振动,分别对四边简支条件下的特征频率和边界自由与边界固定条件下的特征频率进行曲线拟合,得出矩形压电陶瓷超声换能器在边界自由与边界固定条件下弯曲振动特征频率的拟合公式。利用有限元分析软件Comsol对得到的拟合公式进行验证,验证结果表明边界自由与边界固定条件下矩形压电陶瓷超声换能器的特征频率与拟合公式计算出的特征频率有很好的一致性。     

超声液位传感器有限元模型及其声学特性分析

运用ANSYS有限元软件建立超声液位传感器有限元模型,利用其谐波响应、瞬态响应分析技术分析了超声液位传感器声学特性．阐明了超声液位传感器声学特性分析的有限元理论,给出了建模过程若干关键问题的解决方法．研究了保护膜厚度、材料及压电元件的电学品质因数对传感器声学特性的影响,并通过实验验证了谐振频率和最大发射电压响应的仿真计算结果的合理性．由此可见,所建立的分析模型可较准确地对超声液位传感器的声学特性进行仿真模拟,为该传感器的优化设计提供了一种有效的方法．     

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．     

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。     

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.     

热超声键合过程中键合力波动特性仿真研究

利用有限元分析方法研究了在铜金属化晶片上进行金引线热超声键合过程中的键合力变化情况,建立了基于率相关材料特性的热超声键合有限元模型,对键合中的碰撞和超声两个过程进行了仿真分析,并引入平均键合力、键合力标准差值等统计参量来判定键合力的波动变化,从而更加准确地揭示了各键合参数对键合力波动的影响规律.研究结果表明:碰撞初速度(v0)、超声时间或键合温度的增加,均会使得键合力的波动加剧,不利于键合力的控制;对于v1/v0(v1为劈刀速度)则存在一个合适的值,可以使得键合力的波动变化最小.     

一种微加工超声传感器的设计

电容式微加工超声传感器（cMUT）是近年来出现的新型器件,具有高灵敏度、频带宽和机电转换效率高等优点,大有取代传统的压电式超声传感器之势．介绍了cMUT的基本结构和工作原理,提出了一种新型传感器结构．针对此结构建立了两个有限元模型,通过对其中的一个三维模型进行模态分析得知,cMUT可工作在一阶频率处,其振动频率为4．582MHz;利用另一个三维模型进行静态和谐波分析,得出传感器的塌陷电压为213V,当对cMUT施加45V直流偏置电压和1．6V交流电压时,其谐振频率为4．147MHz,薄膜的最大位移为0．447μm．     

超精密切削用刀具超声激振机构的设计

该文设计一种基于夹心式压电陶瓷结构的刀具超声激振机构,用于超声振动辅助金刚石刀具进行超精密切削。通过分析超精密切削技术需求,提出了激振机构结构设计方案,进行了解析设计和有限元仿真分析,制作出激振机构,进行了性能测试,并开展了超声振动辅助切削的可行性实验。研制的激振机构可实现频率42.0kHz、振幅峰峰值8μm的超声激振,并在超声振动辅助金刚石刀具超精密切削中表现出良好效果,切削模具钢工件端面达到表面粗糙度Ra 0.018～0.05μm。     

超声液位传感器的等效电路模型及其仿真分析

将电-力-声类比方法应用到超声液位传感器的建模中,建立了超声液位传感器的等效电路模型,并借助傅里叶变换和逆变换推导了传感器的频率响应和瞬态响应关系式.对关键结构参数进行了分析,结果表明：压电元件厚度与谐振频率成反比;机械品质因数会影响超声液位传感器输出电压信号的峰-峰值和余振特性,选用机械品质因数为700左右的压电陶瓷,可以兼顾传感器输出信号峰-峰值与余振特征;通过优化工作间隙,输出电压峰-峰值提高了40%.