功率超声换能器结构与特性分析

本文利用等效线路的方法,分析了夹心式压电换能器负载能力、电声效率等特性与节点位置、陶瓷堆长度和共振频率的关系.结果表明,节点靠近陶瓷,陶瓷堆长度增加和提高共振频率都有利于增强换能器的负载能力.     

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．     

基于类1-3-2型压电复合陶瓷夹心式换能器性能的研究

研究并设计了类1-3-2型压电复合材料与基于此材料的夹心式换能器,分析了类1-3-2型压电复合材料的频率特性和夹心式换能器的频率方程。利用切割法制作类1-3-2型压电复合材料,并采用该材料制作了夹心式换能器并进行了实验验证。研究表明:该型换能器可实现拓宽夹心式换能器工作频带,有效抑制杂散模态以及改善位移分布,可应用于大功率超声与水下大功率发射器。     

功率超声换能振动系统的优化设计及其研究进展

分析了功率超声换能振动系统的工程设计问题,探讨了在不同负载条件下,影响功率超声换能器电声效率的关键因素,并给出了具有指导性的设计原则,为功率超声换能振动系统的优化设计和性能改善提供设计指南和指导措施.并对近期发展的功率超声振动系统进行了分析和综述,重点阐述了两种新型功率超声振动系统,即三维全方位超声辐射换能器以及径向夹心式压电陶瓷复合换能器,对其设计方法和性能优化进行了总结.     

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

基于传统夹心式压电陶瓷换能器,提出了一种新型级联式高强度功率超声换能器。该换能器由多个半波长夹心式压电陶瓷换能器通过电端并联及机械端串联而成。基于一维理论,得出了换能器的六端机电等效电路,分析了换能器的电阻抗频率特性,并给出换能器的共振频率方程。研究了不同振动模态下,换能器的共振频率、反共振频率以及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距的依赖关系。实验制造2个级联式功率超声换能器,并对其共振频率和有效机电耦合系数进行了测试,实验结果与理论分析相吻合。此类级联式高强度功率超声换能器可望在超声波液体处理、超声波加工等大功率超声技术中获得应用。     

近周期声子晶体开孔结构的大辐射面夹心式纵振换能器的优化研究

大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器中径向振动的存在不仅会导致换能器纵向辐射声功率的降低,还会缩短换能器的使用寿命,严重影响其性能和可靠性.为了减少大尺寸换能器中纵、径振动之间的强烈耦合,保证较高的纵向工作效率和可靠性,克服工作带宽较窄、振幅分布均匀度较差、位移振幅较小的缺陷,本文基于多点变形缺陷近周期声子晶体结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行了优化.利用仿真软件对优化后的换能器的性能指标进行了模拟分析,并进行了实验验证.结果表明,基于多点变形缺陷近周期声子晶体结构的大尺寸压电陶瓷换能器的纵向振动模态更加单一,可以有效提高大尺寸换能器辐射面的位移振幅和振幅分布均匀度,拓宽工作带宽.     

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.     

夹层式压电换能器开路电压影响因素

为探明压电换能器开路电压随各影响因素的变化规律,从而为提高压电路面能量收集效果提供理论依据,采用压电陶瓷晶片PZT-5H及聚氨酯基板制备了夹层式压电换能器。通过室内振动加载试验,研究压电换能器开路电压在不同荷载水平、荷载频率、压电陶瓷晶片并联数量下的变化规律。在此基础上,制备了小尺寸压电路面结构模型,并通过移动加载试验分析面层类型和面层温度对埋置在结构内部的压电换能器开路电压的影响。结果表明:开路电压与荷载水平和荷载频率正相关,但开路电压增长速度随荷载水平和荷载频率的提高逐渐变缓,荷载水平直接影响压电陶瓷晶片应力大小,当施加荷载为5kN,加载频率为4Hz时,压电换能器开路电压稳定在9.44V;开路电压随压电换能器中压电陶瓷晶片并联个数增加而减小,压电陶瓷晶片个数增加,单个压电陶瓷晶片承受荷载变小,当并联个数由1个增加到3个时,开路电压下降了26.6%;不同类型的沥青混合料力学性能不同,AC-13面层下开路电压较AC-10和OGFC-13大,AC-13面层与压电换能器匹配效果较好;温度不仅影响沥青混合料的结构性能还影响压电陶瓷晶片工作性能,温度升高,沥青混合料结构性能变差,压电陶瓷晶片工作性能降低,开路电压降低。     

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．     

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.     

强功率压电超声聚能器研究

介绍梭棒式压电换能器结构及用该换能器串连合成的聚能实验。该系统频率为19.2kHz,电功率容量在2700W以下时,其电声效率可达到0.99。     

夹心换能器效率与结构关系

本文从夹心换能器整体等效线路出发,导出了频率方程的矩阵表示,探讨了换能器效率与形状及尺寸间的关系,给出了提高效率的途径.     

换能器潜在效率与尺寸及工艺关系

1 换能器潜在效率与结构尺寸及工艺的理论关系在机械谐振频率附近,换能器的等效电路见图1。图中R_o及C_o是换能器的介电损耗电阻     

钢-弹性体夹层正交异性桥面板受力性能分析

通过三跨聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板空间结构的计算,分析该种夹层桥面板在夹芯层厚度及面板厚度变化时,在不同受力状况和不同截面处各控制点的受力性能.结果表明,夹层桥面板的受力特性在于:在跨中截面中间纵向U形加劲肋上方的夹层板底面纵、横向应力拉压性质与常规受弯构件不同;加劲肋底面纵向应力比截面其它位置大得多,横向应力可忽略;在支点截面中间加劲肋与桥面连接处,聚氨酯芯层纵向应力最大,横向应力可忽略;钢板与聚氨酯结合面的剪切强度大于6 MPa时可满足粘结要求.     

常用埋入式静力传感器的力学传递性能及数据处理

本文通过对常用的钢弦式钢筋计、钢弦式砼应变计和差动式砼应变计的砼模型试验,着重对介质与传感器的变形协调问题和元件的率定及测试数据的转换处理方法进行了分析和研究。结果表明:对于测试元件必须具有稳定的工作性能和合理的结构尺寸,对于复杂受力状态下的应力型传感器,应通过“贴片率定法”将其转变为应变型后使用,并采用广义虎克定律进行数据转换处理,而“常用率定法”仅适用于简单受力状态下的数据处理。     

基于OPCM声发射传感器的新的SHM技术

提出将地震工程中反射地震法与新型正交异性压电复合材料OPCM声发射（AE）传感技术相结合,应用到土木工程结构健康监测SHM系统中．用细观力学方法分析OPCMAE传感元件的正交异性特征,此特征克服了传统的单一压电陶瓷（PZT）换能器在监测过程中无法避免的土木工程结构构件侧面反射信号干扰的难题,采用椭圆损伤定位法确定损伤位置,使反射地震法与AE传感技术应用于SHM系统成为可能．设计了性能对比实验,在混凝土试件表面分别布置PZT元件和OPCM元件,验证了新的SHM技术应用于混凝土SHM系统的可行性以及OPCM元件避免侧面反射信号干扰的能力。     

基于植入式压电阻抗技术的混凝土梁损伤识别

基于压电阻抗技术,对内植单个PZT传感器的混凝土梁进行建模,模拟其在无损、发生损伤、不同损伤程度的各种工况下的损伤识别过程.随后采用分布式多个内植PZT传感器确定损伤梁中裂纹的大致位置.结果表明:运用植入式PZT传感器能有效地识别混凝土梁中损伤的发生、损伤程度和损伤位置.     

平面型热声转换装置的特性分析

利用热声效应制作出一种由加热层、绝缘层和储热层构成的平面型热声转换装置.对加热层输入交变电压信号时,由于焦耳效应及各层材料的不同热力学特性,其表面附近区域会产生相应的声波.通过对装置模型进行理论分析,推导出装置输出声压及效率的表达关系式,并利用高速数据采集系统及红外成像仪对装置工作特性进行了实验研究.结果表明:该平面型热声转换装置的输出声压和效率随输入电功率的增大而增大;环境温度对装置输出声压的影响较小;通过对装置表面静态温度场分布进行分析,得到装置结构的优化方法.该装置实现了电能、热能、声能之间的转换,具有无任何运动部件、频率可控、稳定性高等优点,因而可广泛用于电声换能领域.     

应力锥橡胶材料在变温环境下的力学性能

利用德国Zwick020材料试验机,进行高压电缆终端应力锥两种橡胶材料在不同温度环境下单向拉伸大变形力学行为的试验研究,得到不同温度和不同加载速率条件下材料的应力 应变关系曲线,并分析了温度及加载速率变化对材料力学性能的影响.运用Mooney Rivlin橡胶材料模型,对试验材料进行了理论分析,根据试验结果拟合出相关参数,构建了适用高压电缆终端应力锥两种橡胶材料的本构关系公式.对比不同温度下两种橡胶材料的理论计算和试验的应力值,说明该本构关系满足工程实际需要,为高压电缆应力锥的进一步研究提供了理论基础.