镶嵌型宽波束换能器

本文描述了一种用于水下运载体上的宽波束换能器的设计方法和实验结果。分析了影响波束开角的因素及变化趋势。所建立的模型可以设计不同工作频率的宽波束换能器。     

大尺寸夹心式压电超声换能器的设计

现有的夹心式压电超声换能器的设计方法多从一维理论出发，它对横向尺寸较大的换能器并不适用．本文研究了大尺寸夹心换能错的铝合振动，通过引人振动体的等效弹性系数，推出了换能器的耦合振动频率方程，并给出了换能器纵向共振频率的设计准则．与数值法相比，本方法计算非常简单．与一维理论的计算结果相比，利用本文理论得出的换能器的纵向共报频率与实测值更加符合．     

正交偶极声波测井换能器有限元分析*

三叠片型换能器是正交偶极声波测井仪器的重要组成部分。换能器的性能直接影响声波测井数据的质量。本文在前人工作基础上,针对三叠片型声波测井发射换能器长度方向的一阶弯曲振动工作模式,利用有限元方法,模拟了换能器结构尺寸和边界条件变化对换能器性能的影响。结果显示,结构尺寸和边界条件对换能器的谐振频率和电导值均有不同程度的影响。参考数值模拟结果,选取合适的结构尺寸参数和边界固定方式,可以调整和选择正交偶极声波测井仪器发射换能器工作频率和最大发射效率。本文研究结果对三叠片型换能器的优化设计有较好的指导意义。     

结构参数对偶极声波换能器谐振频率的影响

偶极横波远探测技术在我国复杂地质结的构油气勘探中具有十分广阔的应用前景。换能器的工作频率直接影响声波测井的探测深度。本文对正交偶极声波测井换能器弯曲模态的谐振频率进行了解析计算,并利用有限元方法研究了其结构参数对谐振频率的影响。计算结果表明:当压电陶瓷片的长度增加时,换能器一阶谐振频率先降低后升高,三阶谐振频率先升高再降低之后又上升;当金属基片厚度增加时,换能器一阶与三阶谐振频率均升高;当压电陶瓷片厚度增加时,换能器谐振频率的变化方向与幅度还与压电陶瓷片长度等其他参数相关,有可能升高或降低。     

超声技术的基石——超声换能器的原理及设计

超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件,它是超声技术中的关键器件,其性能好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围.由于超声技术的应用范围很广,且超声新技术层出不穷,因而与此对应的超声换能器的种类也很多.文章对不同应用背景下多种类型超声换能器的原理及设计进行了阐述,分析了不同类型超声换能器的性能参数及设计要求,简要总结了超声换能器的性能参数测试方法,并对超声换能器的发展趋势进行了一定的分析.     

超声振动系统频率自动跟踪的模糊控制算法研究

针对大功率超声应用中,工作频带窄、频率跟踪速度要求快的特点,提出将模糊控制智能算法（Fuzzy Control）和数字频率直接合成技术（DDS）相结合的频率自动跟踪方案,依据经验归纳制定模糊控制器来快速跟踪工作频率,将驱动频率调节至谐振频率附近;随后只采用DDS进行频率的微调节,使得电源频率工作在超声换能器的谐振频率点上。最后,通过在MATLAB软件中对控制算法进行验证,表明本文算法具有可行性,能够实现对大功率超声波电源的频率自动跟踪。     

超声手术刀声学系统设计和实验*

为兼顾阶梯型变幅杆的高放大系数以及曲线过渡变幅杆突变截面处的高疲劳强度,本文提出了一种最速曲线过渡段的超声刀换能器。首先,基于等效电路法,设计了夹心式压电换能器的基本结构。在此基础上,结合超声刀的工作条件和材料特性,对换能器基本结构进行精确设计;然后,利用FEM法和实验法获取了换能器纵振频率以及频率响应曲线,进一步证明了本文所设计换能器的有效性;最后,对所设计的换能器进行了一系列测试,结果表明：测定了无负载换能器谐振频率与输出端振幅,与设计目标、仿真结果相吻合;连接负载后凝血,切割效果良好。     

压电陶瓷非线性对大功率换能器结构参数匹配 影响的计算分析

在Guyomar非线性模型基础上,通过机电等效法将晶堆前向负载作为等效质量和阻尼加入振动方程的质量项和阻尼项,推导了换能器振速、辐射声压级和谐振频率偏移率等表达式,计算分析了压电陶瓷非线性参数和结构参数对换能器声辐射性能的影响,研究了压电陶瓷的非线性对换能器结构参数匹配的影响。结果表明,换能器节面靠前,前盖板厚度越小,前盖板大径越小,都可以减少压电陶瓷非线性引起的换能器频率偏移。当设计频率确定时,压电陶瓷处于非线性工作域的换能器的结构参数有所减小。换能器加入辐射端匹配后,可以改善压电晶堆前向负载匹配,降低换能器的谐振频率偏移率。换能器激励电流也会出现频率偏移现象。在提高换能器激励电压时,换能器的结构参数应适当减小。得到的结论可为换能器设计提供理论依据和帮助。     

超声内镜换能器的应用进展

超声内镜集结了超声检查与内镜检查双重功能,可以获得腹部和胸腔内器官的高质量图像,是一种先进的医疗设备。超声内镜探头的核心部分是超声换能器。超声内镜检查需经过狭窄的消化道或内窥镜的活检通道伸进体内,由于工作环境的限制,超声内镜用换能器与普通超声成像换能器相比,工作频率更高、尺寸更小、制作工艺更精密。本文从超声内镜所用换能器的外形结构、内部组成、工作模式及材料等角度,对目前国内外超声内镜换能器的应用进展情况进行了描述,并根据超声内镜换能器的现状对未来的发展趋势进行了分析。     

200℃偶极发射换能器研究

高温偶极子发射换能器是200℃高温多极子阵列声波测井仪器研发需要攻克的主要核心关键技术问题之一。针对这一问题,该文从材料选型和工艺改良两个方面开展技术攻关,研发了耐温达200℃偶极子发射换能器,样机耐温性能测试表明其能够在200℃下连续工作12 h而不损坏,声性能测试样机最大发射电压响应为124 dB,具有与现用换能器相当的辐射性能,样机尺寸及工作频率与现用换能器几乎完全一致,可以方便地对现用仪器进行升级。目前搭载该样机的仪器已经通过孤古8实验井测试,并在新疆顺北油田现场近9000 m井下取得高质量数据,达到设计目的。该文为开展更高温换能器研发提供了详细的研究思路。     

球形发射换能器多目标优化设计

为了解决球形发射换能器多约束条件下的离散/连续变量混合型非线性多目标优化问题,基于等效电路理论,建立了球形换能器的电学-力学-声学耦合模型,以辐射声源级、输入电功率和质量为优化目标函数,材料属性参数、结构尺寸参数、工作频率范围和输入电压为设计变量,压电陶瓷电退极化极限、结构强度极限、功率容量等物理特性以及设计变量取值等为约束条件,构建了球形换能器多目标优化数学模型;利用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行了球形换能器多目标优化设计,获得Pareto前沿解集;并通过实验验证了优化结果的有效性。结果表明,采用多目标优化方法设计和制作的球形发射换能器样机,在满足辐射声源级要求的前提下,工作频率范围内输入功率降低了32.8%,质量减轻了27.4%。研究结果可为严苛条件限制下的发射换能器优化设计提供参考。     

Helmholtz水声换能器弹性壁液腔谐振频率研究

针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性,将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中,实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计.基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型,导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式,得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图,给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式.利用ANSYS软件建立了算例模型,仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率.结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好,相比起传统的刚性壁理论计算结果,本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低,与真实情况更加接近.本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.     

水声换能器研究新进展

文章综述了几种典型结构水声换能器近些年的新发展,包括:弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等,主要介绍这些结构类型水声换能器的设计新思想和多方面优化改进的新成果。     

具有大指向性开角及高发射电压响应的发射换能器

应用复合变幅杆及夹心式换能器结构,研制了一种指向性开角较大且发射电压响应较高的发射换能器。应用有限元方法对换能器的工作频率,发射电压响应及指向性进行了理论计算。并与实验结果进行了比较,结果较吻合。本文研制的换能器工作频率为75.6kHz,发射电压响应级达到1 56dB(基准值1V/μPa),-3dB发射指向性开角100°     

基于单片机控制的超声波换能器设计与实现

为了提高超声波换能器电源的智能性和通用性,本文提出了一套以高性能ds PIC30F4011单片机为控制核心的换能器电源解决方案,并进行了相关的软硬件设计。该方案基于键盘输入选择标称频率拓宽了换能器的标称频率选型范围;基于最大电流法检测谐振点设定最佳频率保证了换能器电声转换的高效性;基于电压反馈检测调整输出电压和保持换能器的功率稳定,主要检测过程采用软件实现。实验结果证明采用该方案的超声波换能器电源具有现实可行性。     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

面向水下应用的电容式微机械超声换能器*

电容式微机械超声换能器具有宽频带和易于制造二维阵列等优势,已经成为一种重要的新型超声换能器。该文针对图像声呐系统对新型超声换能器的迫切需求,提出了一种电容式微机械超声换能器结构和参数,并利用硅微加工技术制备出了该换能器,最后对其主要性能参数进行了测试和分析。测试结果表明该换能器具有发射和接收超声波的功能,中心工作频率为1.965 MHz,6 dB相对带宽达到109.4%,在1 MHz、2 MHz和3 MHz频率时的接收灵敏度分别为-218.29 d B、-219.39 dB和-218.11 dB。该文研制的电容式微机械超声换能器显示出了优秀的宽频带特性,且工作频率和接收灵敏度性能均基本满足了高频图像声呐系统的需求。     

磁致伸缩超声换能器阻抗匹配网络的设计*

根据磁致伸缩超声换能器的等效电路模型和阻抗匹配理论,该文设计了一种优化的型匹配网络。该网络具有调谐、变阻和滤波的功能,适用于工作在中低频超声频率范围内的磁致伸缩超声换能器系统的阻抗匹配。仿真和实验结果表明:接入该型阻抗匹配网络后,驱动电源与换能器之间实现了最大功率传输,换能器两端电信号的波形质量得到优化,换能器激励电流提升了40%。该研究可为大功率磁致伸缩超声换能器的应用提供技术支持。     

背衬参数对厚度模压电换能器特性的影响

系统研究了厚度模压电换能器的背衬厚度、声阻抗率及机械损耗因子对换能器振动性能影响,重点分析了在所关心频率附近的有效机电耦合系数和机械品质因数。计算结果表明,随着背衬厚度增大,换能器的有效机电耦合系数和机械品质因数均震荡减小;背衬声阻抗率与压电片声阻抗率差值增大,换能器有效机电耦合系数减小,机械品质因数增大;保持压电片厚度不变,增大背衬的机械损耗因子,换能器有效机电耦合系数单调减小,机械品质因数有极小值,在给定频率范围内电特性曲线趋于光滑。用有限元方法验证了等效电路计算方法的正确性,并对比了换能器的测试结果和计算结果。计算所得规律为厚度模压电换能器的设计和实验制作提供了理论依据。      

磁致伸缩-压电混合激励Janus换能器结构特征参量与纵振频率之间的关系

为了拓宽Janus换能器的工作频带,使用超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为混合激励元件驱动Janus换能器,研究了其结构特征参量与纵振频率之间的关系.首先归纳了磁致伸缩-压电混合激励Janus换能器的12个结构特征参量.随后通过模态分析,证明换能器具有两种纵振动模态.最终经过有限元仿真计算,总结分析...