一种近似测量换能器效率及其等效电参数的简易方法

本文提出了一种近似测量换能器效率的简易方法.在换能器负载对其共振频率影响不大的情况,利用换能器的等效电路,根据换能器效率的定义,推出了只依赖于频率及谐振时换能器两端电压与电流之间相位角的效率表达式,把测量阻抗的要求变成了测量相位角的要求,与导纳圆法比较,所用仪器简单,测量迅速,克服了导纳圆法中逐点测量及逼近的麻烦,为迅速分析换能器的性能提供了一条简单的测量途径.     

基于NI ELVIS的超声换能器参数测量系统设计

为了满足超声换能器快速筛选的要求,在对超声换能器参数导纳圆法测量原理进行分析的基础上,利用NI ELVIS平台搭建了一种结构简单的超声换能器参数测量系统。采用点频法实现高精度、快速的导纳测量,采用最小二乘法拟合得到导纳圆,进而完成超声换能器诸参数的计算。基于LabVIEW软件平台编写了相应的软件系统。针对40 kHz超声换能器的测试表明,所设计的超声换能器参数测量系统精度高、处理速度快,且结构简单、便于使用。     

矩形辐射器压电多频超声换能器的研究

研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射器夹心式超声换能器,换能器由圆柱形后盖板、压电陶瓷晶堆及矩形六面体辐射器前盖板组合而成。利用表观弹性法和一维近似理论给出了多频换能器横向及纵向理论共振频率方程。对一种特殊情况下的此类换能器进行了有限元及实验分析,给出了各自的频率输入导纳曲线。对理论和实验结果进行分析后表明,此类矩形辐射器夹心式超声换能器可以在不同的振动模态上工作,具有多个共振频率.     

压电圆片径向方式等效线路的普遍形式

压电圆片径向方式振子在压电测量中得到广泛应用,国际上的压电测量标准均把它列为主要内容。这种振动方式,Mason曾作过详细研究,得到了电导纳表达式以及只适用于基频共振频率附近的简化等效线路。本文从Mason的电导纳表达式出发,利用Mittag-Leffler定理,导出了适用于任何频率的等效线路的普遍形式;从而证明了此种形式等效线路与从波动方程求得的严格解析解完全等价。     

夹心式径向复合压电超声换能器

对夹心式径向复合压电换能器径向振动特性进行了研究。该换能器由弹性内芯、预应力金属管及柱面压电陶瓷晶堆径向复合而成.利用机电类比法,得到了换能器的径向振动等效电路及频率方程。探讨了换能器第1、2阶径向共振频率及有效机电耦合系数与其几何尺寸的关系。研究表明,换能器第1阶径向共振频率随其内芯内径及预应力管壁厚度增大而降低;第2阶共振频率随内芯内径增大存在极小值,但随预应力管壁厚度增大单调下降。此外,采用第2阶径向共振模式能获得较高的有效机电耦合系数,并且压电陶瓷处于位移节线时,换能器有效机电耦合系数达极大值。对换能器共振频率的测试与有限元仿真表明。理论与实验及仿真结果符合较好。      

有力、电负载和损耗时夹心式压电换能器的共振频率及效率

本文讨论换能器有负载力阻抗及电端接有电阻抗,同时考虑换能器材料的机械及介电损耗时的夹心式压电换能器的共振频率及效率.给出了工程上常用的几种结构的频率计算式.所作的部分实验验证及经实际应用都表明理论计算和实验结果基本符合.     

夹心式纵-扭复合模式压电超声换能器的共振频率

本文对夹心式纵－扭复合振动模式压电超声换能进行了研究，从换能器的等效电路出发，在无耦合时，得出换热能器纵向振动模式及扭转振动模式的各自共振频率方程，实验表明，换能器各自共振频率的测试值与理论计算值基本符合。     

半穿孔结构宽频带夹心换能器的理论分析

为了增加超声处理用的夹心换能器的频带宽度,我们曾研制出一种新型的半穿孔结构宽频带夹心换能器。为研究这种换能器增大带宽的原理,本文提出了一种理论分析模型,并给出全等效网络。计算了有水负载时换能器输入电导纳的频率特性对孔参数的依赖关系。关于带宽的理论计算结果和实验测量结果符合较好。同时还计算了换能器“变换段”输入力阻抗的频率特性与孔参数的关系,计算结果表明:半穿孔结构具有增加带宽的特性。此外,本文并应用复变数映象理论分析了多孔结构辐射块孔参数对带宽以及对负载敏感性的影响。这个分析方法也可用于其它超声振动系统的分析。     

用时域自易法测量超声换能器灵敏度

超声换能器的灵敏度是实际应用中很重要的物理参量，传统测试方法是在消声水槽中用连续正弦波进行逐点频率测量，过程较繁复，测量频率范围也受到限制，并且不能获得重要的相位信息．本文所采用的时域自易法是一种新颖的换能器核准方法．通过对超声换能器的激励电流和回波电压脉冲进行傅氏变换，可得到灵敏度的幅频相频特性，且具有测量速度快、频带宽和易于操作等优点．把时域自易法所测得结果与频域法测量所得结果进行比较，证实相符．     

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.     

矩形板高阶模式超声振动辐射器的研究

在耦合振动理论以及矩形截面细棒弯曲振动的基础上,本文对矩形薄板的弯曲振动进行了研究,推出了自由边界矩形薄板的弯曲振动频率方程,研究了薄板的振动模式及其与共振频率的关系.实验表明,矩形薄板弯曲振动共振频率的测量值与计算值符合很好.用共振式矩形薄板作为超声清洗等液体中超声应用技术的声波辐射器具有声场分布均匀,换能器频率调节容易,声波辐射面大等优点,是一种很有前途的新型超声源.     

利用声脉冲管测量平面阵阵元的输入力阻抗

本文提出了以声脉冲管测量辐射头为方形的一种阵元(纵向振动换能器)的输入力阻抗的方法。从电导纳圆图的测量所得到的并联共振频率与从输入力阻抗曲线上确定的共振频率两者非常一致,从而间接证明了这种方法是可行的。     

大尺寸矩形断面超声变幅杆固有频率的研究

超声变幅杆是功率超声技术中换能器振动系统的一个重要组成部分,本文利用表观弹性法研究了大尺寸矩形断面超声变幅杆的耦合振动,推出了常用的几种单一变幅杆(指数形,圆锥形,悬链线及阶梯形)的频率设计公式,为大尺寸矩形变幅杆的频率设计及计算提供了一种简单易行的方法,实验表明,利用本文公式设计的大尺寸矩形断面变幅杆,实测共振频率与理论计算频率基本一致,与一维振动理论的结果相比,利用耦合振动理论得出的变幅杆共振频率更加接近于测量值。     

柱形量子点中弱耦合磁极化子的性质

应用线性组合算符方法和幺正变换方法,研究在抛物势作用下的柱形量子点中磁极化子的性质。对ZnS量子点的数值计算表明,量子点中磁极化子的基态能量随特征频率、回旋共振频率的增大而增加,这是由于特征频率增加时振动能量、回旋共振频率增加时外磁场中的附加能量增加所致。当特征频率(或回旋共振频率)增加到某一值时,磁极化子能量由负变为正。基态能量随柱高的减小而增加,且柱高越小,增加越快;当柱高减小到某一值时,磁极化子能量也由负变为正。总之,柱形量子点中的磁极化子,其基态能量与量子点的尺度、外磁场、特征频率等有关。     

斜槽式纵-扭复合模式压电超声换能器的研究

对斜槽式纵-扭复合振动模式压电超声换能器进行了理论及实验研究。推出了换能器的机电等效电路,探讨了槽的倾斜程度对复合超声换能器的共振频率的影响。实验表明,理论预测频率与实测频率基本一致。     

薄壁压电陶瓷圆管机电参数的测定

依据导出的切向极化和径向极化压电陶瓷薄壁圆管无负载电导纳方程,给出由压电陶瓷圆管测量数据,计算出机电参数的方法、公式和步骤。实验测知压电陶瓷薄壁圆管的尺寸、密度、低频电容、最大导纳频率与最小导纳频率以及其它若干频率上的电导纳等,然后用给出的公式计算杨氏模量、泊松比、机电耦合系数、介电常数和压电常数等。运用这一方法,对若干实际圆管样品作出了测量和计算。     

径向复合圆柱压电超声换能器

提出一种三元径向复合圆柱压电超声换能器,并对其径向振动特性进行了研究。基于弹性力学理论及机电类比原理,导出了柱坐标系中分割处理径向极化压电陶瓷管准厚度模振动及薄壁短圆管径向振动的机电等效电路;利用径向力和振速连续的边界条件,得出了径向复合圆柱压电换能器系统的径向振动机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器径向共振频率及有效机电耦合系数随其几何尺寸的变化关系。研究表明,换能器的径向共振频率及有效机电耦合系数随其内芯半径和预应力管壁厚度增大而降低。研制了一些径向复合圆柱压电换能器,并对其径向共振频率进行了测试。结果表明,理论与实验结果基本一致。      

利用智能手机测量金属的杨氏模量

将智能手机应用于金属杨氏模量的动态法测量中,利用Spectrum Analyzer软件分析金属试样振动时发出的声波频率,用内插法求出试样节点上的共振频率,进而计算出金属试样的杨氏模量,并将杨氏模量测量值与理论值作对比,进一步论证了本实验方案的可行性.     

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。