铁镓Janus-Helmholtz换能器非线性驱动

利用磁路法理论分析了磁阻对铁镓驱动磁场的影响,结果表明磁路中无永磁体时铁镓驱动磁场是有永磁体时的5倍以上,结合铁镓材料近似线性区小的特点,提出了一种无偏场非线性驱动方式。首先利用帕德逼近方法近似铁镓材料的磁化过程,得到磁场强度与磁致伸缩应变的关系,进而得到驱动电信号表达式,在此基础上提出了铁镓换能器的非线性驱动模型。设计研制了无偏场铁镓Janus-Helmholtz换能器样机,通过振动特性实验分析验证非线性驱动模型的可行性,最后在水中测试了换能器的发射性能。测试结果表明,采用无偏场非线性驱动的换能器在驱动电流为9.4 A时,声源级可达到198.2 dB,相对于永磁偏置磁场的换能器,声源级高了4 dB,发射性能得到了明显的提升。     

叠合结构超低频弯张换能器

研究了一种将多个椭圆弯张壳体在短轴方向进行机械叠合的超低频弯张换能器,每个弯张壳体采用超磁致伸缩材料进行驱动。推导了多个叠合壳体的等效电路,利用支路阻抗方法得到了换能器频率和阻抗的方程表达式。针对多个壳体叠合的结构复杂性,采用有限元方法计算并分析了叠合壳体换能器的多个结构点的振动位移分布,通过平动位移分布设计了活塞辐射面的结构参数。将有限元方法计算的换能器在空气中和水中的谐振频率与等效电路法计算的结果进行了对比,符合较好。研制了6个壳体叠合的超低频弯张换能器样机,换能器外形尺寸为Φ230×630 mm,重量为39 kg。换能器经湖上试验,水中谐振频率130 Hz,最大发送电流响应161.1 dB,最大发射声源级为180.4 dB,实现了超低频、小尺寸的发射能力。      

铁镓驱动弯曲圆盘换能器设计及振动特性研究

为了研究新型磁致伸缩材料——铁镓合金(Galfenol)在换能器中应用,本文设计了一种低频弯曲圆盘换能器。借助有限元软件仿真分析换能器振动模态,对换能器结构参数进行优化设计,并研制了换能器样品。利用激光测振仪测量了换能器空气中模态及不同电流驱动下振动位移,测得振动模态与仿真结果吻合,换能器空气中共振频率为913 Hz,辐射头能够产生的最大振动位移达到93μm,磁致伸缩材料达到饱和应变。结果表明:铁镓材料能够驱动弯曲圆盘换能器大振幅振动;铁镓作为磁致伸缩换能器驱动材料具有较好的应用前景。     

弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器EI北大核心CSCD

为了降低纵向换能器尺寸并提高发射带宽和发送电压响应,研究了一种弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器,换能器由[011]方向极化PIN-PMN-PT单晶和PZT-4压电陶瓷混合激励,利用多模态振动耦合的原理,通过单晶的32模式振动,可以灵活调整两种振子之间的驱动能力和刚度分配。首先通过四端网络法得到了换能器等效电路并计算了其谐振频率,然后利用有限元方法对换能器进行了仿真优化,最后制作了试验样机并进行了测试分析。换能器样机外径86 mm、长度80 mm,工作频带13~38 kHz,最大发送电压响应为144.9 dB,带内发送电压响应起伏小于6 dB,具有良好的宽带、小尺寸工作性能。     

混合激励纵振换能器的研究

纵振式换能器是水声领域中不可或缺的一类中频段换能器,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷材料PZT作为驱动元件设计混合激励纵振式换能器。利用ANSYS有限元软件建立了有限元模型,对换能器的电声参数进行了优化,并制作一宽带混合激励纵振式换能器,实验测得的换能器与仿真的结果较为吻合,实测换能器的最大发送电压响应为145dB,其工作频带为4kHz-16kHz,频带内发送电压响应起伏为±4.5dB。     

铁镓复合棒换能器设计及非线性驱动研究

提出了一种针对无偏场铁镓换能器非线性驱动方式,该方法通过设计输入电信号函数以匹配磁致伸缩非线性应变函数,从而实现换能器的简谐波输出。通过理论分析,寻找到中低磁场下简单信号实现非线性驱动——半频驱动。研制了复合棒铁镓换能器并在水池进行半频激励测试,结果表明,采用无偏场的半频驱动方式激励换能器在4.2 A电流时声源级达到192 dB,能够无失真工作,实验验证铁镓换能器非线性驱动具有可行性。对高磁场时的非线性驱动进行了理论仿真分析,并设计了非线性驱动信号。      

宽体液腔Janus-Helmholtz换能器

本文使用有限元方法对宽体液腔Janus-Helmholtz(JH)换能器进行了仿真分析,得出了壳体宽度拓展增量对JH换能器工作性能的影响规律。使用三维建模的方式,分析了连接部分对换能器性能的影响及宽体壳体的的模态,证明了三维建模的必要性。依据仿真优化结构设计了一款宽体液腔JH换能器并进行了湖上测试。最终测试结果与仿真结果有很好的一致性,相较直筒JH换能器其谐振频率降低300Hz,发射电压响应最高可达144dB。     

磁致伸缩-压电联合激励凹筒型发射换能器

设计制作了一种新型磁致伸缩-压电联合激励凹筒型发射换能器,采用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为联合激励元件,模拟计算与实测结果均表明,与采用单一振子激励的凹筒型发射换能器相比,此种新型换能器在保持尺寸小、频率低等优点的同时,显著拓宽了工作频带并提高了辐射声功率.换能器外型尺寸为φ88 mm×316 mm,水中谐振频率1.30 kHz,-3 dB带通Q值1.43,谐振频率下发射电压响应级135.1 dB.     

多谐振宽带Janus-Ring换能器

提出了一种多谐振宽带Janus-Ring换能器,两个一定距离的压电圆环换能器(Ring换能器)嵌套在双面纵振Janus换能器的两端,Ring换能器的径向振动、Janus换能器的纵振动与它们中间形成的Helmholtz液腔振动相耦合,可大大拓展换能器的工作带宽。使用有限元方法设计并研制了Janus-Ring换能器样机,经测试在1.8~8.0 kHz范围内,样机最大发射电压响应144 dB,起伏小于6 dB。相比传统的Janus-Helmholtz换能器,Janus-Ring换能器有效拓展了工作频带,增大了发射电压响应,减小了频带内的发射电压响应起伏。      

非线性磁电换能器模型的谐振磁电效应分析及其输出功率优化

基于非线性磁致伸缩材料的本构方程,建立了一种“磁-力-电”多场耦合的层合磁电换能器的有限元模型,研究了不同偏置磁场下的谐振磁电效应.基于等效电路模型和二端口网络理论,实现了对谐振状态下磁电系数和等效源阻抗的完整求解.在磁电换能器与负载电阻之间引入优化的L节匹配网络,在提升负载功率的同时拓展了工作带宽.仿真结果与相关文献数据吻合,证实了该模型的准确性和有效性.仿真结果表明,所研究的层合磁电换能器,其磁电系数在450 Oe的偏置磁场下达到51.79 V/(cm·Oe)@51.4 kHz,在350 Oe的偏置磁场下达到极限输出功率–3.01 dBm@50.4 kHz.以保证负载功率为前提,通过优化匹配网络,可实现2.30 dB的功率提升和2.27倍的带宽拓展.本文所建立的非线性有限元模型充分考虑了偏置磁场对谐振磁电效应的影响,该研究结果对小型化磁耦合无线功率传输系统的设计和性能提升具有重要的指导意义.     

包含外壳磁阻的微型平衡电枢换能器仿真模型的阻抗和振动分析

现有的“E”型平衡电枢等效磁路模型仿真研究通常不考虑金属外壳磁阻带来的影响。为了解决平衡电枢换能器中因金属外壳和平衡电枢紧密接触带来的非线性磁阻问题，在现有的平衡电枢换能器等效磁路模型上加入了外壳磁阻影响。分析等效磁路模型磁通部分和力学部分的状态空间方程在不同参数条件下的仿真结果，总结不同参数对该模型阻抗和振膜位移的影响情况。通过仿真对比，外壳磁阻对平衡电枢换能器位移频率响应曲线的影响为1～3 dB。对于组装后包含金属外壳的平衡电枢耳机、助听器产品降低频率响应曲线偏差具有一定的指导意义。     

空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料匹配层空耦式压电换能器

研制了一种厚度模空耦式压电换能器,使用综合考虑材料衰减系数和声阻抗的空耦式压电换能器电力声等效电路理论模型以指导匹配层结构设计和材料选择,选用新型的空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料作为声匹配材料,优化设计电阻抗匹配及结构参数。该换能器中心频率为510 kHz,-6 dB频域相对带宽为25.4%,插入损耗为-27 dB。结果表明,使用新型低衰减系数的闭孔复合材料单匹配层设计的该换能器不仅保证了高灵敏度,同时简化了换能器结构,为空耦式压电换能器研制提供了新思路。      

Janus-Helmholtz换能器的弱辐射耦合机理与带宽特性

针对Janus-Helmholtz(JH)换能器频带内响应起伏较大、模态耦合机制尚不明确的问题,提出了振动模态声辐射独立建模方法.该方法建立换能器各个振动模的独立有限元模型,在仿真计算中将位移载荷直接加载在辐射面上,分析振动模的辐射声场.通过各个结果的对比分析,观察到JH换能器声辐射模态的弱耦合规律,最终给出JH换能器...     

Study on the broadband tonpilz transducer with a single hole

To get a wide-band transducer, the piezoelectric sandwiched transducer with a frustum hole in its head piece is presented in this paper. The equivalent circuit is derived, and the expressions of the equivalent mass and the equivalent impedance of the transducer are obtained by using one-dimensional (1D) design theory. Moreover, the expressions of the mechanical quality factor and the frequency bandwidth are obtained and the transmitting voltage response of the transducer is calculated by using finite element method. The theoretical results show that the frequency bandwidth of the transducer with a hole is wider than that without a hole when their resonant frequencies are almost equal. The tested results are in good agreement with the theoretical calculations.     

Outer cavity Janus-Helmholtz underwater acoustic transducer

The outer cavity Janus-Helmholtz with sound insulation layer is presented for obtaining the capacity of high-power non-directional transmitting. The radiation efficiency and directivity in the 0 degrees direction can be improved when the radiation mode is changed by laying sound insulation layer. The operating bandwidth can be expanded effectively by the dual mode coupling between the cavity vibration and longitudinal vibration of Janus transducer. A prototype is designed by finite element method. Test results show that the results are in good agreement with the design results. Compared with inner cavity Janus-Helmholtz transducer,acoustic radiation performance of outer cavity Janus-Helmholtz underwater acoustic transducer in the 0 degrees direction has been significantly improved.