新型管状换能器研究

依据薄膜理论,分析了一种具体形状、径向极化压电圆管换能器的振动特性,在此基础上推导出不同振态下的径长位移特性以及集中参数等效电路,用有限元法分析了径长振动模态,得出谐振和反谐振频率.通过有限元模态分析表明,理论值与模拟值符合的很好,这对管状换能器的工程设计具有参考价值.     

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.     

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。     

径向极化压电圆管超声换能器的数值模拟

应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对径向极化压电圆管超声换能器进行了有限元数值模拟.首先,对压电圆管的前三阶振动模态以及一阶谐振频率与圆管尺寸、激励电压的变化关系进行了模拟分析.然后,对径向极化压电圆管在无介质和介质分别为空气、水时的导纳曲线进行了模拟分析,并且模拟了压电圆管在空气和水中的超声场分布.仿真结果表明,压电圆管的一阶谐振频率与圆管尺寸存在特定的变化关系,与激励电压的大小无关;压电圆管在空气和水中的导纳曲线由于空气和水的特性阻抗不同而不同,空气对压电圆管的影响几乎可以忽略,而水对压电圆管的影响较大.最后,利用精密阻抗分析仪对所制作的径向极化压电圆管超声换能器的导纳曲线进行了测试,并与数值模拟结果进行对比.结果表明,实验测试结果和数值模拟结果基本吻合,验证了数值模拟的可靠性,可为径向极化压电圆管超声换能器的设计提供指导.     

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.     

POM圆盘轴对称弯曲振动研究

研究了一种材料为聚甲醛(POM)的薄圆盘声波辐射体，压电换能器在其中心处产生振动激励.采用解析法设计了POM圆盘，用有限元方法对POM圆盘-换能器振动系统进行了建模、计算.在系统谐振频率处，有限元计算和实验测试了圆盘的振动位移与系统的电声效率.结果表明，POM圆盘和钢圆盘半径、厚度相同时，POM圆盘-换能器振动系统在空气中的半功率带宽更宽，而钢圆盘-换能器振动系统的电声效率更高；POM圆盘-换能器振动系统更易施加较高的电压或有功功率；激励电压相同时，POM圆盘的振动位移大于钢圆盘.     

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.     

压电换能器锁相环频率跟踪的失效分析与解决

为提高碳纤维复合材料超声振动钻孔过程中压电换能器频率跟踪的精度及可靠性,以压电换能器等效电路为基础,分析了目前锁相环频率跟踪系统存在的失锁、误跟踪、死锁和跟踪误差大等4种失效形式的原因,指出抵消静态电容是解决跟踪失效的必由之路.据此提出一种基于静态电容补偿法的锁相环频率跟踪技术,该技术可使换能器对锁相环呈现理想的LCR串联谐振特性,有效解决了跟踪失效问题.实验表明:通过该技术,换能器机械谐振频率的跟踪精度可优于-20~10Hz,避免了误跟踪和死锁,跟踪带宽可达6 kHz.     

PZT压电薄膜的压电系数d 31的测量及其微悬臂梁简谐振动模拟

介绍了一种应用微悬臂梁结构，简单直接测量其中压电薄膜PZT的横向压电系数d31的方法。利用微悬臂梁器件本身和普通仪器，通过测量电压作用下微悬臂梁所产生的挠度值即可获得d31。还介绍了应用所测的d31对微悬臂梁的谐振进行有限元模拟的方法，及与振动实验结果的比较。     

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。