超声波波速测量中谐振频率的调试技巧

介绍超声波波速测量中，区分谐振频率与共振干涉频率的方法，及谐振频率调节技巧。     

一端部分封闭管内声波的谐振频率

实验发现声波谐振管封闭端微小的缝隙会导致谐振频率发生相当大的移动。本文从理论和实验两个方面对这个现象进行了探讨。理论上，我们将缝隙简化为一段细管，在一维波近似下得到确定谐振频率的特征方程，结果可以定性上解释实验现象。实验上，我们在封闭端开孔，通过改变孔的面积使得边界条件从闭管连续过渡到开管情况。测量结果表明，谐振频率的移动主要取决于开孔面积，与孔的形状与位置关系不大。随着孔的面积增大，频率向上移动，而且呈现显著的先快后慢规律。     

动态法测金属杨氏模量实验中的谐振频率

根据压电陶瓷晶体压电原理、压电陶瓷棒和试样横振动原理，分析了动态杨氏模量实验中出现的多个谐振频率，理论分析与实验结果吻合．     

SAW谐振器谐振频率微秒级快速检测方法*

针对高速旋转环境下的谐振式声表面波(SAW)传感器信号快速检测,提出基于回波损耗测量原理的SAW谐振器谐振频率微妙级快速检测方法。对SAW谐振器进行线性扫频激励的过程中,将反射信号经功率检波与比较器转换为数字脉冲信号,使用计时器实时计算脉冲信号中心对应频率快速求得SAW传感器谐振频率。在8000 r/min转速范围内对SAW谐振器在700 kHz带宽内进行检测实验,最多用时35μs,相对于毫秒级的传统SAW谐振器谐振频率检测方法,速度提高了两个数量级。     

两轴四框架结构光电稳瞄吊舱减振器谐振频率计算与试验

根据振动理论分析两轴四框架系统选择减振器的要点,对某型直升机内外框架刚性连接的吊舱进行扫频振动试验，测量了谐振频率和谐振点的扫频放大率，绘制了放大率曲线。通过使用放大率曲线计算内外框架刚性连接时系统的三向刚度。并根据减振器刚度值，利用弹簧串联刚度的计算方法计算了使用减振器系统的三向刚度和谐振频率。重新进行试验后，结果表明系统谐振频率和放大率都满足要求。该结构使用减振器的要点是：减振器放大段位于伺服带宽内,系统谐振频率避开外界扰动频率以及放大率应尽可能小。     

左手介质对谐振腔谐振频率的影响

在谐振腔设计过程中, 谐振腔的品质因数以及谐振频率都是需要考虑的关键因素. 传统的方法是通过减小谐振腔的尺寸或者利用高次模来提高谐振腔的谐振频率, 但是由于两种方法都有其局限性, 导致设计结果并不理想. 通过理论计算与模拟仿真相结合的方法, 对影响谐振腔谐振频率的因素进行分析, 得出了填充介质的材料属性与谐振腔谐振频率的关系. 理论计算显示: 当用“左手介质”作为谐振腔的填充物质时, 可以在不改变谐振腔尺寸的基础上提高谐振频率. 高频结构仿真器(high frequency structure simulator)的仿真数据也证明了以上结果, 从而得出谐振腔的谐振频率可以不受谐振腔尺寸的限制. 相较于传统理论而言, 研究结论有进一步的发展, 为探索和设计新颖的谐振腔提供了理论依据.     

RLC电路谐振频率测试方法讨论

本主要讨论用新方法测谐振频率和一般频率及误差的所在。     

R取值对测量并联谐振频率的影响

采用测量电容两端电压最大值的方法来确定RLC并联谐振的谐振频率。发现在RLC电路中,电阻R值愈小,η（η=f实验/f理论）愈接近于1;并且当电阻取值一定时,电容C取值越小,测量越准确。最后给出了简化电路图,即R=0,此时R′=RL。     

基于压电换能器谐振网络幅频特性的频率跟踪技术

本文分析了压电换能器谐振网络的幅频特性,介绍了利用该特性进行频率跟踪的实现方法,并对眼科白内障超声乳化仪中的超声手柄进行了频率跟踪实验。实验研究表明利用谐振网络的幅频特性,对超声振动系统进行频率跟踪是一种简单、有效、可行的方案。     

热声谐振管品质因数的实验研究

回热器中填充了玻璃丝绵,在声驱动的热声谐振管中发生共振,通过测量谐振频率,分析热声谐振管的频率特性,辨识谐振管的品质因数,其测量结果能与理论计算值较好的吻合。实验证实,品质因数是评价热声谐振管工作性能的重要参数。     

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.     

基于最小电压法的超声换能器谐振频率自动跟踪*

首先分析了最大电流法跟踪超声换能器谐振频率的原理及应用范围。研究了基于由串联电感和并联电容匹配电路下,不同频率时换能器两端电压电流的变化规律。研究表明在串联电感和并联电容匹配电路下发生谐振时,换能器两端的电压最小而电流并非最大。由此形成了采用最小电压法跟踪谐振频率的自动跟踪策略,并给出了该方法的具体实施步骤。论文研究结果为换能器谐振频率的自动跟踪方法提供了新的选择。     

超声换能器并联谐振频率的复合式跟踪方法研究

为了使超声换能器适应变化比较剧烈的负载,本文通过分析超声换能器在并联谐振频率附近工作时的频率特性和实际需求特点,利用变压器初级匹配方法得到了更好的频率特性,并对比了换能器空载和带负荷情况下的阻抗特性曲线,提出了复合式自动频率跟踪方法,空载时找到超声换能器最小电流的对应的频率点,加载过程中利用比例积分微分算法实现频率的快速跟踪。并对超声换能器在不同负载时的功率输出进行了实验,结果表明,复合式频率跟踪方法可以稳定地跟踪到超声换能器的并联谐振频率,能实现超声换能器的功率自调节,对提高换能器的工作效率和负荷适应能力具有实际的指导意义和应用价值。     

横波远探测测井换能器研究

为提高偶极子横波远探测反射波的信噪比和增加其探测距离,根据偶极子井孔模式波的激发特性及反射波传播特征分析,研制了基于三叠片的低频大功率偶极子的横波远探测换能器,以降低模式波的相对能量和增加反射波的相对能量。为了得到满足要求的低频大功率偶极换能器,采用有限元方法对现有三叠片进行了优化改进,得到一种符合设计要求的换能器结构,最后制作了样机并对其进行了测试。样机测试结果跟仿真吻合得很好,低频性能得到了极大改善：换能器在谐振频率1.2 kHz附近具有极好的偶极子指向性,谐振频率处的响应比X-MAC同频率段大19 dB。该换能器的研发成功将为偶极子远探测测井仪器性能及成像质量的提高奠定了坚实的基础。     

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.     

High precision, short range ultrasonic sensing by means of resonance mode-locking

This report describes a novel method of continuous-wave operation of ultrasonic transducers, which enables short-range measurement with a resolution much finer than the sound wavelength. The transducer is locked into a particular resonant mode of the transducer-gap-reflector system by a resonance-locking phase-locked loop. The resonant frequency depends on the relative coherence of the transmitted and reflected waves, so that a change in the position of the reflecting surface will require a corresponding change in the resonance frequency if the resonant mode is to be retained. A simple system of this type has been implemented using a cheap, commercially available transducer with far-from-optimum characteristics. The system has been found to operate successfully in a range well below the typical ring-down range of a corresponding pulse-echo system, and has displayed a resolution much finer than the sound wavelength for the transducer.     

弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔换能器

使用双面同相振动的弯曲圆盘换能器驱动双Helmholtz共振腔,既放大了弯曲圆盘换能器弯曲共振频率以下频段的声输出,又利用两个Helmholtz共振腔的同相声源辐射模型实现了在Helmholtz共振频率处的"∞"字形垂直指向性,实现了低频指向性声发射。阐述了换能器实现"∞"字形低频指向性发射的机理,研究了腔体长度、金属圆片厚度及弯曲圆盘边缘简支厚度等关键结构参数对Helmholtz共振频率的影响,求解了换能器的发送电压响应、指向性等参数。依据仿真结果制作了实验样机,在消声水池中进行了电声性能测试。测试结果显示,指向性形状及液腔共振频率与仿真结果基本相符。这种由弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔水声换能器为实现水声换能器小尺寸、低频指向性发射提供了一种技术手段。      

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。     

钹型换能器的优化设计*

本文研究的钹型换能器,是由一个压电陶瓷圆环和一个金属浅球壳组成。为了得到这种钹型换能器的解析解和它在不同介质中的机电性能。首先,根据前人得出的压电陶瓷圆环和金属浅球壳的理论模型,用等效电路法从理论上计算出了该换能器的共振频率并与仿真结果做了对比,发现二者近似吻合,验证了理论计算的可靠性,为这种钹型换能器的优化设计提供了理论指导。然后利用COMSOL Multiphysics分别模拟了压电陶瓷为圆盘和圆环的钹型换能器的共振频率,仿真结果表明：同等条件下,当圆环的外径和圆盘的半径相等时,压电陶瓷为圆环的钹型换能器共振频率更低,使其具有频率低、体积小的特点更加明显。利用数值方法,分析了钹型换能器的几何尺寸对其共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数的影响。最后模拟了钹型换能器在水中的机电特性及声压分布。     

基于电流和相位差的超声换能器频率自动跟踪

为了提高超声换能器频率跟踪的稳定性,通过对最小电流法和相位差法的原理和应用范围进行分析,提出了基于最小电流和相位差法相结合的并联谐振频率跟踪策略,该策略主要思想是将最小电流法运用于换能器空载阶段,相位差法运用于带载阶段,并且带载时的起始驱动频率取为空载阶段跟踪到的并联谐振频率。由此对最小电流法和相位差法这两种跟踪方法进行取长补短。基于该跟踪策略对换能器在不同负载下进行了实验,结果表明该策略可以快速地跟踪到换能器的并联谐振频率,并且工作稳定。