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.     

计算机曲线拟合求压电换能器的特征频率及动态参量

求压电换能器的特征频率及动态参量时通常采用“导纳圆图”的分析方法。测量“导纳圆”时,在换能器的共振频率附近只能测出几个频率点,因此从“导纳圆”上求得的特征频率为较粗糙的线性插值,误差较大,特别是在高Q值时更为明显。实际上,由这种方法确定串联、并联共振频率,电共振与反共振频率等较为困难。因此求与其相关的动态参数也同样困难,利用测量的频率、阻抗模量及幅角,采用计算机作曲线拟合的方法作数据处理,可求得换能器的全部特征频率以及对应的导纳值、机械及电品质因数、有效机电耦合系数等动态参量。在一定程度上提高了精度,编成通用程序后可提高工作效率。     

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。     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

脉冲超声换能器声场测试系统的设计*

脉冲超声换能器是超声检测的关键部件,为了获取其声场特性参数,文中基于小球反射法原理,采用虚拟仪器技术和单片机技术设计了声场测试系统。系统的程控交互界面采用了美国国家仪器公司研制开发的图形化编程软件LabVIEW来设计,在程控交互界面程序中通过调用动态链接库DLL来对系统核心硬件超声发射接收卡进行数据通信及对卡功能进行设置,同时系统上位机通过RS232串口与下位机单片机通讯,实现对三轴扫查平台的多种扫查方式控制。该系统可实时显示脉冲换能器声压分布图像,并可通过对声压分布数据实现对换能器近场长度及扩散角等参数的测量。     

基于ZnO压电薄膜的弯曲振动硅微压电超声换能器的研究

对所研制的硅微压电超声换能器（PMUT）的振动特性进行了研究分析。对硅微压电超声换能的振动膜薄板的厚度相对于薄板的尺度（边长）而言较薄的情况,理论分析与实验结果均表明残余应力对换能器的谐振频率影响较大:不考虑残余应力的理论分析得出的换能器谐振频率与器件的实验测量的结果相差较大,而考虑残余应力的分析给出的谐振频率结果与实验结果是符合的。本文还对所制作的硅微压电超声换能器的谐振频率及导纳进行测量,并给出其等效电路参数。其中振动膜边长为1mm的换能器的谐振频率为71.25 kHz。最后对其进行了简单接收发射实验,测得谐振频率处的接收灵敏度为-201.6 dB（ref 1 V/μPa）,发射电压响应约为137 dB（ref 1 μPa·m/V）。      

光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。     

压电换能器导纳的研究

本对压电换能器的等效电路及导纳圆测定方法进行了介绍．对于提供压电换能器与所在电路间的阻抗匹配有重要意义。     

一种简单高精度超声液位计系统的设计与实现

介绍了超声时延法测距的基本原理,设计并实现了一种基于DSP的超声液位计系统,改进国内同类产品精度和稳定度偏低的问题。利用选用的AD、DSP芯片特点,给出了一种简单高效率的超声换能器驱动电路和回波采集放大电路的实现方案;使用通用16位定点DSP芯片TMS320VC5502,实现测距算法,增强了后端数字信号处理能力;使用收发一体窄带超声换能器发射和接收超声信号,其中心频率20kHz,3dB带宽1kHz。实验结果表明,本系统测量范围为0.5～18m,测量精度可达到测量距离的0.5%。     

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.     

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。     

Automatic system for dynamic control of resonance in high power and high Q ultrasonic transducers

This paper describes the fundamentals, design criteria and electronic structure of a new frequency control system to keep permanently at resonance high Q ultrasonic transducers whose mechanical resonance band may vary within wide limits under normal operating conditions. The procedure developed is based on keeping constant at its zero value the phase of the motional admittance of the transducer by automatically and instantaneously adjusting the frequency of the driving signal provided by a voltage controlled oscillator. The characteristics of this system, especially the fact that the transducer is not an integral part of the feed-back loop of the oscillatory circuit and the frequency tracking mechanism does not depend directly on the magnitude of the motional variables of the transducer, offer some advantages in construction and performance with respect to the conventional motional positive feed-back systems.     

多匹配层空气耦合压电超声换能器*

该文针对超声无损检测与成像功能空气耦合换能器开展了分析计算和研制。为解决压电材料与空气间巨大的阻抗失配问题,进行了多匹配层设计,并基于有限元技术仿真设计了1-3压电复合材料参数。借助复数压电方程,导出考虑损耗的多匹配层压电复合材料换能器厚度振动等效电路,获得其等效导纳,以此计算电导谱,同时基于有限元技术数值计算相应电导谱,二者有较好的一致性。在此基础上分别设计制作复合压电材料,多匹配层材料以及由此构成的空气耦合超声换能器。换能器的实测电导谱与数值仿真结果一致。进一步的换能器回波信号测试及其谱分析结果表明,所研制的160 k Hz中心频率空气耦合换能器样品有较好灵敏度和带宽。这些结果说明,该文研制的空气耦合超声换能器的初样是成功的。     

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。     

传输电缆对换能器阻抗特性的影响

本文通过传输线方法讨论了电缆对换能器的影响,随频率增加,电缆对换能器的影响交蛎,主要表现为,最大电导增大,串联谐振率下降,这些都是由于电缆传输系数随频率变化引起的,并且与换能器的阻抗特性有关。     

超声换能器表面的振动状态

从超声波在波密介质和波疏介质之间的传播以及诱发共振发射超声波的角度,讨论了空气中超声声速测量实验所用超声换能器的表面振动状态.理论分析及实验测量结果表明:超声换能器表面振动状态与其结构有关,超声接收器表面位移振幅一般不为零.     

Determining the optimal pre-tightening force of a sandwich transducer by measuring resonance resistance

The pre-tightening force applied on a sandwich transducer plays a key role on the transducer’s vibration performance. Typically, a transducer’s optimal pre-tightening force is not known during assembly. The objective of this study is to examine a method for determining the optimal pre-tightening force for a sandwich transducer. We propose that the transducer’s optimal pre-tightening force can be measured indirectly through the resonance resistance. Resonance resistance is an equivalent electric parameter which reflects the transducer’s mechanical energy loss, and can be measured easily using an impedance analyzer. The relationship between resonance resistance and the pre-tightening force is analyzed both theoretically and experimentally. Measurement of resonance resistance based on transducer’s admittance circle is studied. Experiments involving this relationship are conducted. Results indicate that the front-end surface amplitude of the sandwich transducer reaches a maximum when the pre-tightening force is optimal, the resonance resistance tends to a minimum, but with a small offset. This indicates that the minimum value of resonance resistance corresponds closely to the highest vibration amplitude of the transducer, but not exactly. Thus, by determining the minimum resonance resistance, the optimal pre-tightening force can be determined.     

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。     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。