多基元聚焦空气耦合超声换能器*

文中针对空气耦合超声换能器及其在表面缺陷检测中的应用开展了研究。选用1-3型压电复合材料及双匹配层结构来实现超声换能器压电材料与空气之间声阻抗的逐渐过渡,提高压电材料/空气界面的声能量透射率进而提高空气耦合超声换能器的灵敏度。在此基础上研发制作了440 kHz多基元聚焦空气耦合超声换能器,并对其性能进行了测试。其焦距、焦宽及焦深分别为41.44 mm、1.14 mm和20.30 mm,灵敏度和带宽分别为-50 d B和20.2%。测试结果表明该空气耦合超声换能器具有优良的性能,利用该超声换能器可以有效检测材料表面缺陷。     

超声换能器辐射特性的优化*

匹配层和背衬层是换能器的重要组成部分,对换能器特性有重要影响。针对发射型换能器,基于有/无匹配层和空气/树脂背衬两种条件组合,该文研究了匹配层与背衬层对换能器辐射特性的影响。结果表明,负载材料为水时,空气背衬换能器相较于树脂背衬换能器声能辐射效率更高;匹配层可以提高换能器的主瓣能量,抑制旁瓣能量及旁瓣数量。因此,针对发射型换能器的设计,背衬材料的选择应遵循与压电材料的阻抗差异越大越优的原则;匹配层的合理设计不仅可以提高超声换能器的声能辐射效率,还可以提高主瓣旁瓣峰值比,使声能更集中。     

基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

向空气中辐射超声波的环形压电换能器

超声压电换能器向空气中辐射超声波的主要缺点是效率低,这是由于压电材料的声阻抗与空气的声阻抗严重失配(差5个数量级)。有两种途径可提高换能器向空气中辐射声波的效率,一是采用多层结构的匹配技术,二是设计高、低声阻抗材料相组合的换能器。作者遵循后一种方法设计并制作了一种新的高效压电换能器。它是将压电圆环埋置在低阻抗的弹性材料(塑料或树脂)中而成的,如图1所示。     

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。      

一种高灵敏压电平面水声换能器

设计并制作了一种高灵敏压电平面水声换能器。该换能器敏感元件是对1-3-2型压电复合材料结构的改进,即在带基底的压电陶瓷小柱阵列间不注入聚合物,并在其上表面直接覆盖金属板,构成“带基底的压电小柱阵列+金属盖板”结构敏感元件(称为“空气填充型”敏感元件)。对“空气填充型”敏感元件的谐振频率进行了理论计算和有限元仿真,与实测结果较吻合。为便于对比性能,同时制作了同尺寸“1-3-2型压电复合材料+金属盖板”结构敏感元件(称为“聚合物填充型”敏感元件)换能器。分别对“空气填充型”和“聚合物填充型”敏感元件换能器的有效机电耦合系数、发送电压响应和接收灵敏度进行有限元仿真和实测,结果均显示,“空气填充型”敏感元件换能器具有较高的接收灵敏度,相较于“聚合物填充型”敏感元件换能器可提高21 dB。该敏感元件换能器能有效提高灵敏度,可为研制高灵敏换能器提供参考。      

基于有限元的空耦超声相控阵Lamb波激发与检测

基于非接触式空气耦合超声换能器的无损检测技术在常规板材、纤维复合材料、层状结构材料、粘接界面等的检测中有了长足的发展。但是因为空气耦合超声本身的限制,对于如何提高空气声换能器的发射效率和接收灵敏度、提高检测中接收的信噪比成为这一领域的重要课题。因此有必要结合最新的信号处理技术探索新的无损检测形式。本文通过提出了基于电容式的空气声换能器阵列的构建和制作方法,应用有限元数值方法对一维线阵的空气声换能器阵列的动态偏转特性进行了模拟,并使用构建流固耦合模型对二维的空气声场及板材中的位移场进行计算。通过一维空气耦合相控阵的声束动态偏转激励了各向同性板中的Lamb波A₀ 和S₀模式,并进行了分析,验证了此模型可以进一步用于基于空气耦合相控阵激励的Lamb波的无损检测中。     

厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展*

厚度模压电超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号间转换的载体,是超声成像与检测系统的核心器件,一般由压电层、匹配层和背衬层3部分组成。超声换能器的性能一定程度上决定着整体超声设备的性能,影响了其在工业、医学、军事等领域的应用。该换能器的关键性能指标(带宽、灵敏度)除了受到压电层的影响,还与匹配层、背衬层等无源声学材料的设计密切相关。该文综述了近年来厚度模压电超声换能器无源声学材料(匹配层、背衬层和声透镜)的研究进展,提出了当前该类材料面临的难题和解决途径,并对其未来发展方向进行了展望。     

空气耦合超声检测复合材料研究综述

复合材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模量、耐腐蚀等优异性能,广泛应用于飞机机翼、导弹外壳、航空发动机壳体等部位。制造和服役过程中各类缺陷影响复合材料的力学性能和服役性能,必须采用有效的方法准确检测和评估复合材料中各类缺陷。空气耦合式超声检测具有完全非接触、非侵入、无损伤和无需耦合剂的特点,能够很好地运用于复合材料的在线和在位检测。该文就近年来空气耦合超声检测技术的研究现状进行了系统综述,简明扼要地分析和介绍了当前空气耦合超声检测的研究热点及进展,重点介绍了1-3型压电复合材料换能器、信号处理技术、相控聚焦式空气耦合超声检测、超声在复合材料的传播特性及其与缺陷交互作用的研究现状,探讨了空气耦合超声无损检测技术与仪器的发展方向,总结了目前空气耦合超声检测的研究热点问题,最后展望了空气耦合超声检测的发展趋势和应用前景。     

磁铁/压电双晶片复合材料磁电耦合性能的优化设计

本文采用弹性力学的方法,基于压电方程,给出了磁铁/压电双晶片(Bimorph)复合材料磁电耦合系数的理论表达式,并选取不同的结构参数和材料参数对其磁电耦合系数进行了数值计算.研究表明:Bimorph存在最佳的压电层厚度,使得磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数达到最大;金属层材料和压电相材料也均会影响磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数.该研究结果为磁铁/Bimorph复合材料的优化设计、实际应用提供了有益的理论指导.     

一种压电超声波物料输送器*

利用压电陶瓷元件具有良好声电转换特性和输出特性,本文提出了一种新型结构的压电超声波物料输送器。设计了超声波物料输送器的结构并分析了其工作原理,采用纵扭复合型压电换能器为驱动源,对压电换能器进行了结构设计和参数计算,并对其进行了性能测试。由此研制出了压电超声波输送器的样机并进行了试验测试,结果表明:当频率为17.9 kHz–18.6 kHz时,输送器具有输送物料能力。驱动负载为1.5 kg时系统的谐振频率为18.3 kHz,输送速度最快,达到64个/min。随着电源输出功率的增大输送物料速度呈线性增加。该输送器的稳定性好,噪声低。与压电片式和电磁式输送器噪声进行对比,超声波输送器的工作噪声仅为31 dB,略小于压电片式,远小于电磁式。     

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。     

A new type of high power composite ultrasonic transducer

A new type of high power composite ultrasonic transducer was proposed and studied. The composite transducer consists of a sandwich longitudinal piezoelectric transducer, an isotropic metal hollow cylinder with large radial dimension, and the front and back metal radiation mass. By means of its special structure and Poisson’s effect, the composite transducer can produce vibrations both in its longitudinal and radial directions, and therefore, it can radiate sound waves in three-dimensional space. The electro-mechanical equivalent circuit of the composite transducer was derived and the resonance frequency equation was obtained analytically. Numerical methods were used to simulate the vibration of the composite transducer, and the vibrational displacement distribution, the resonance frequency and the radiation sound field are given. Some composite transducers are designed and manufactured; their resonance frequencies and the radiation acoustic field are measured and compared with the analytical and numerical results. It can be seen that the measured frequencies and acoustic field contour are in good agreement with the analytical and numerical results. It is expected that this kind of composite ultrasonic transducer can be used in more and more power ultrasonic applications, such as ultrasonic cleaning, ultrasonic extraction, ultrasonic sonochemistry and other ultrasonic liquid processing, where high ultrasonic power and large ultrasonic processing space are needed increasingly.     

锥变截面管形超声振动系统的设计

设计了一种锥变截面管形超声振动系统,振动系统由夹心式压电换能器和锥形变截面金属圆管组成。推导了锥变截面管形超声振动系统的等效电路和谐振/反谐振频率方程。利用等效电路法、有限元法对锥变截面管形超声振动系统进行了分析设计并制作了相应的实验样品。研究结果表明,锥形变截面管的等效电路为一种新型的非互易二端口等效网络;锥变截面管形超声振动系统具有较好的频率隔离性、较大的位移振幅和均匀的振动位移输出。该超声振动系统可望在超声连续缝焊、环形部件的超声切割和超声钻孔等领域获得应用。      

Study on the high power air-coupled ultrasonic compound transducer

The high power air-coupled compound ultrasonic transducer in flexural vibration is studied. The transducer consists of a sandwich longitudinal piezoelectric transducer and a circular thin plate in flexural vibration. The resonance frequency equation and the equivalent circuit of a circular radiator with clamped boundary condition are derived. The resonance frequency equation and the equivalent circuit of the compound transducer are also obtained. The radiated acoustic field of the circular thin plate radiator is analyzed and the directional pattern is calculated. It can be seen that when the vibrational order of the circular thin plate in flexural vibration is increased, the radiated acoustic field becomes complex.     

径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动

提出了一种圆管式径向复合压电陶瓷换能器,并对其径向振动特性进行了分析。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆管以及金属外圆管组成。利用解析法得出了金属圆管以及具有任意壁厚的径向极化压电陶瓷圆管径向振动的机电等效电路。基于金属圆管与压电圆管的机械边界条件,得出了换能器的六端机电等效电路。在此基础上得出了换能器共振及反共振频率方程的解析表达式,给出了换能器的共振及反共振频率与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法对换能器的径向振动特性进行了模拟及仿真,并与解析结果进行了比较。最后,设计并加工了一些径向复合管式压电陶瓷换能器,利用精密阻抗分析仪对其共振及反共振频率进行了实验测试。研究结果表明,利用解析理论得出的换能器共振及反共振频率与数值模拟结果以及实验测试结果符合很好。      

幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路

基于机电类比原理和变厚度薄圆环的平面应力方程,推导了幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路、共振频率方程和位移放大系数。讨论了第一、二阶径向共振频率及相应的位移放大系数随圆环半径比的变化关系。结果表明,幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路是一种非互易二端口等效网络;一阶和二阶共振频率随圆环内外半径比的增大而增大;一阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大先降低后升高,二阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大而降低,但二阶时的位移放大系数整体大于一阶,因此二阶径向共振模式具有更好的径向振动性能。用COMSOL有限元软件对解析理论分析结果进行了验证,仿真模拟结果与解析理论符合良好。根据幂函数型环形聚能器的等效电路模型,进一步设计了一种压电环形换能器,计算了第一、二阶径向共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数,通过与COMSOL有限元软件模拟结果对比,符合良好。本文研究结果为幂函数型环形聚能器及压电环形换能器的工程应用提供了简明设计理论,文中研究结论可作为一种径向超声切割刀在超声工程中获得重要应用。