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。     

声速测定实验谐振频率测量研究

在声速测定实验中,接收换能器位置对谐振频率测量结果有一定影响。目前,对这种影响的研究较少。研究接收换能器输出电压随接收换能器位置的变化,发现当两个换能器间距较小时,不同频率下的输出电压极大值的位置是聚集的,随着换能器间距的增加该位置逐渐发散。当换能器间距较小且接收换能器处于干涉极小值位置时,谐振频率测量不受共振干涉的影响。     

Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

提出了一种“鱼唇式”弯张换能器的设计方案,采用变高度椭圆壳体,这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用,并设计制作了Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器。理论分析和湖上实验结果表明,Ｔｅｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器,具有较低的谐振频率,水中约为 １．１ｋＨｚ左右;较宽的频带,－３ｄＢ带通 Ｑ值低于 ３;发射电流响应为 １８２ ｄＢ;采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度．     

电动式换能器声源级起伏改善实验研究

电动式换能器由于存在内部声腔,导致辐射面上的负载在频域上出现极值,使得电动式换能器的声源级响应出现起伏,给电动式换能器在宽带噪声模拟领域的应用带来了挑战。依据电动式换能器含有声腔的等效电路分析结果,针对无声腔、有声腔、在声腔底部设置吸声棉和在声腔内充入氦气4种情况,使用加速度计测试了辐射面的输出振速,归算出声源级曲线并加以比较。实验结果验证了声腔谐振导致电动式换能器频响曲线出现起伏;在声腔内充入特性阻抗小的气体可有效地将声腔的谐振频率调节至工作频段以外,从而实现电动式换能器在质量控制区平坦的响应输出。     

简易超声波换能器频率测试仪的研究

对超声波换能器频率测试系统进行了探讨，并在此基础上提出了改装设想，分析了所研究的简易超声波换能器频率测试仪的电路原理及实验结果。     

聚苯硫醚材料复合棒型换能器

本文选择了高聚物中杨氏模量较大、损耗较小的聚苯硫醚作为复合棒型换能器的前盖板。计算了聚苯硫醚棒中的纵波传播速度,研究了基于聚苯硫醚材料的复合棒型换能器的等效电路设计方法。利用有限元方法计算了换能器谐振频率、轴向应变分布、平均耗散功率等性能参数。对本文研制的前盖板为聚苯硫醚、后盖板为钢(1#)和前后盖板均为聚苯硫醚(2#)的两个换能器进行了测试。结果表明,理论计算的谐振频率与实验测试相吻合;两个换能器的振幅均与所施加的电压成正比,且1#换能器的振幅电压比更大;两个换能器的耗散功率与外加电压平方成正比,在应变较大处耗散功率较高,导致局部升温明显,测得两个换能器温度最高处均位于应变最大位置处。1#换能器的前后振幅比为26,与同频率的金属组件换能器相比,若后盖板为尺寸相同的钢材,前盖板采用聚苯硫醚材料能够显著提高换能器的前后振幅比,且带宽也较大。      

Camp公式的实验修正

工作中发现,按Camp公式设计的磁致伸缩换能器,有载或空载时的工作频率低于设计频率.对Camp公式进行实验修正后,可以使换能器的工作频率基本等于设计频率,从而简化了声学振动系统的设计程序,保证换能器处于良好工作状态.     

换能器式直线超声马达及其实验测试

提出了一种新型换能器式直线超声波马达．该马达具有结构和驱动简单、可方便地实现正反向运动等优点。实验样机的性能参数如下：共振频率２１．４６ ｋＨｚ,预紧力 ３．２ Ｎ下对应的最大速度 ４００ ｍｍ／ｓ,预紧力 １．６Ｎ时对应最大推力为 ２．１Ｎ。研究中利用仿真软件ＭＡＴＬＡＢ计算出质点的几种典型运动轨迹,并从理论与实验两方面分析了两路电信号相移的变化以及两相换能器振动幅值的变化对椭圆运动行为及输出特性的影响。     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器*

高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一,为了探究其在水声换能器领域的应用潜力,该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据仿真结果优化结构尺寸,制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明,铌酸钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为35kHz,最大发送电压响应为 151dB,声源级可达 190dB,在 26kHz~67kHz 的频率范围内发送电压响应的起伏不超过±4.5dB,谐振频率处-3dB 的指向性开角约为 76°。该无铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能,有望推动无铅压电材料在水声换能器领域的应用进程。     

铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器

针对深水、低频、宽带换能器的技术需求,结合Janus-Helmholtz换能器的结构特点和铁镓单晶材料低场应变大及机械强度高的特性,提出了铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器设计方案。采用永磁偏磁场和环形闭合磁路,建立了一系列铁镓单晶磁致伸缩换能器理论分析模型,包括对磁致伸缩材料参数进行线性化处理,设计了换能器最佳工作点,结合静态磁场和动态磁场分布情况分段细化换能器驱动等效参数,以及利用全阻抗模型通过电感损耗等效计算换能器静态阻抗,然后通过二维有限元分析等效模型,优化分析了换能器的结构参数与电声性能。最后制作了换能器样机,并进行了测试与分析。对比仿真和测试结果表明:全阻抗模型得到的阻抗曲线与样机测试结果相一致,有限元等效模型计算的发送电流响应与样机测试结果良好吻合。换能器样机水中谐振基频为1000 Hz,谐振频率下发送电流响应176.4 dB;在875～2300 Hz频率范围内,发送电流响应起伏不大于6 dB;增加驱动电流有效值到16.2 A,最大声源级可以达到196.2 dB。     

宽带宽波束纵向水声换能器研究

本文通过设计纵向水声换能器辐射头的形状及利用其弯曲振动模,实现宽带宽波束辐射特性,采用后质量块的嵌套结构有效缩小了换能器的长度。利用ANSYS有限元软件模拟了小型宽带宽波束纵向水声换能器的电声特性。研制了换能器样品,实现了与有限元模拟计算结果相一致的电声参数:谐振频率14kHz,最大发射电压响应141．9dB,-3dB带宽为11．3～18．7kHz,-3dB带通Q值为1．9,在14kHz频率下波束宽度为132°,比通常纵向换能器波束宽度宽23％。     

非线性工作状态压电换能器匹配技术

针对压电换能器在大功率下存在复杂非线性而导致匹配参数难以优化的问题,以大功率超声金属焊接为例,通过采集测试焊接过程换能器两端电压的幅值与频率,建立换能器反谐振电阻与驱动电压有效值、频率之间的数学模型;提出基于反谐振电阻模型的最优功率匹配方法,推导了匹配电感电容的计算公式。最后实验验证了数学模型的准确性,且当换能器输入功率在最优功率附近时,匹配网络电能传输效率最高。     

磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器

设计制作了一种新型磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器,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。     

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．     

偶极子接收换能器驻波场校准系统的研究

本文研究了设计偶极子接收换能器的驻波场校准系统，利用该系统可以实现偶极子类型接收换能器的校准，包括接收灵敏度及偶极子方向性的测量，频率范围为２０－２０００Ｈｚ校准误差小于１ｄＢ。     

船舶噪声激励夜光虫发光特性实验研究

对船舶噪声刺激下的生物发光特性展开研究,发光生物为夜光虫。利用声学换能器模拟船舶辐射噪声,在含有发光生物夜光虫的实验水槽中进行生物发光实验。声学换能器发出不同频率,对夜光虫受不同频率噪声激励下的发光特性进行记录。通过对不同激励频率下夜光虫发光图像的分析处理,得到不同频率激发下生物发光点图像,经统计分析得到了夜光虫在船舶噪声激励下的发光特性,得出夜光虫发光点数随频率和声源级的增加而增加的结论。     

计算机辅助受迫振动实验

在Matlab平台下编写了图形用户界面程序，该程序利用计算机的声卡采集音叉上的压电换能器信号，精确地计算出频率值和平均振幅，通过多组数据采集及插值计算，可自动绘制出不同阻尼下的共振曲线．     

超声换能器的高功率性能测试

大功率超声换能器的性能测试是比较困难的．本文提出了一种测量大功率伏态下夹心式压电换能器性能参数的新方法．利用该方法不仅能够得到换能器的各种转换效率，而且可以测量换能器等效电路中的等效电参数．实验表明，用该方法得到的结果与用高频电功率计法所得的结果基本上符合．这一方法为换能器的大功率状态性能评价提供了途径．     

NiMnGa磁控形状记忆合金纵振式换能器

为实现低频、小尺寸水下声源,利用具有大应变、快速响应和高能量密度等优势的NiMnGa合金为驱动元件设计了水声换能器。基于NiMnGa合金变形原理,建立了NiMnGa纵振式换能器物理模型,推导了等效电路。通过有限元法,实现了NiMnGa纵振式换能器电磁-机械-声的多物理场耦合仿真,用于预测换能器的水下声学性能。制作了小型NiMnGa纵振式换能器样机,并在水中测试了500～800 Hz频带内的声源级。实验结果表明,换能器样机辐射面直径为8 mm,水中谐振频率为700 Hz,最大声源级为115.5 dB。     

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。