热超声键合换能系统动力学特性的非线性检验

根据实际超声换能系统的振动测试，提出了热超声键合换能系统动力学特性的非线性检验方法，利用基于相空间重构的替代数据法，通过对换能杆末端的实测数据进行正确替代，并用非线性动力学的理论来检验其是否具有非线性.通过实验对超声换能杆末端轴向、俯仰、横向的振动时间序列的关联维数进行了准确的计算，从而清晰地描述了上述三个方向的动力学特性.所提出的方法有利于更好地认识超声键合换能系统，为建立更加合理的非线性动力学模型奠定良好的理论基础，有很好的应用价值. 关键词： 超声键合 时间序列 相位随机化 替代数据     

浅海声场垂直振速与水平振速相关特性及应用

基于矢量水听器记录的质点振速信号,研究了浅海声场垂直振速与水平振速的相关特性,理论与仿真结果表明记录的垂直振速与水平振速的相关系数是矢量水听器俯仰角度的函数,矢量水听器不发生俯仰时二者的相关系数约为零.基于上述特点,提出了一种利用矢量水听器记录信号自适应校正矢量水听器俯仰姿态的方法,实验结果表明,该方法能有效校正矢量水听器俯仰姿态.     

基于磁化电流法的双稳压电悬臂梁磁力精确分析

双稳压电悬臂梁结构常常用于振动能量采集系统,其中的非线性磁力与系统势函数和动力学方程的建立紧密相关,非线性磁力的正确分析和精确计算对系统振动响应和能量采集效果的准确预测至关重要.本文采用形状函数分析方法,通过悬臂梁弯曲斜率的整体积分计算,得到了悬臂梁末端的运动轨迹及其末端磁铁精确的位置与姿态,并由此根据磁化电流理论建立了双稳压电悬臂梁能量采集系统的磁力计算模型,给出了末端磁铁受到的水平轴向磁力和竖直纵向磁力及其合磁力的变化规律.数值模拟发现,随着末端磁铁竖直纵向位移逐渐增大,磁铁受到的水平轴向磁力和竖直纵向磁力都会依次由排斥力转变为吸引力,从而导致磁力合力的方向会随磁铁位移发生跨越两个象限的大幅度变化.实验验证表明,磁力计算结果与实验测量结果符合良好,其精确度优于现有文献方法的精度,因此本文的方法可以准确预测双稳压电悬臂梁振动过程的磁力变化规律.     

向空气辐射的弯曲振动型超声换能器的研制

以“弯曲”振动阶梯盘作为辐射面的超声换能器具有高的效率和方向性.本文叙述了阶梯辐射盘的振动方式,理论及计算公式.设计了20kHz具有阶梯辐射盘的超声换能器,并对轴向声压进行了测试.该换能器结构简单,制作方便,在实际工作中有一定的应用价值.     

一种辐射声场近似计算方法——单元辐射叠加法

提出一种基于表面振速预报辐射声场的近似方法--单元辐射叠加法.研究表明,声传递向量中的每项元素等于对应单元以单位速度振动、其它单元振速都为零时的辐射声压,即刚性障板上活塞面以单位速度振动时的辐射声压.在此基础上,利用刚性障板上单位速度振动活塞面的辐射声压直接建立表面振速与辐射声压之间的传递关系,根据这个传递关系对表面振速进行加权、求和便得到总的辐射声压.计算时采用规则形状障板面去拟合实际障板面,以规则形状障板上振动活塞面的辐射声压去近似实际障板上振动活塞面的辐射声压.相对于边界元方法,该方法在计算速度与存储空间上具有很大的优势.计算表明该近似方法是合理的、可行的.     

模式转换环形耦合振动超声辐射器

提出了一种新型耦合振动环形超声辐射器,辐射器由纵振换能器及变幅杆激励特定尺寸的金属圆环,使其能有效地将纵向振动转化为圆环的径向轴向耦合振动从而向环的径向、轴向辐射超声波,并且在环的中心形成聚焦声场。推导了该辐射器的等效电路,给出了等效电路法和有限元法优化设计环形超声辐射器的详细过程。研究了耦合振动环形超声辐射器的谐振特性及其辐射声场特性,根据理论计算结果加工了相应的环形超声辐射器,实验测试结果与理论计算结果符合得较好。本文提出的模式转换环形耦合超声辐射器可望在声化学等液体处理领域获得应用。      

超声换能器机械振速的自动稳定

为使功率超声设备工作稳定,许多场合要求换能器输出到负载的机械功率与负载大小成比例.而换能器注入负载的功率可用三个参量来描述,即力、振速及其工作端面的机械振动功率.如能稳定振动速度,即可实现稳定的要求.文中讨论了稳定振速的方法,并给出一例用光耦合器反馈振速信号的振速自动稳定电路.     

以双曲正割型杆为基础的新型扭振变幅杆

推导出不存在外缘剪应力极大点的扭振超声变幅杆─－１／４波长双曲正割型杆，以此为基础组成半波长复合杆，另外１／４波长杆可以是圆柱型、指数型、类圆锥型、类悬链线型或类余弦型。对一些复合杆的谐振频率和放大系数进行了实验验证，实验结果与理论值基本一致。复合杆具有放大系数大，输人阻抗随工作频率偏移变化小，不存在外缘剪应力极大点，可输出的扭振能量大大高于同种材料的其它类型杆等一系列优点，因而对于大功率超声领域是非常有用的。     

智能型表面测振系统

本文采用加速度传感器测量振动频谱的原理，对表面振动测量系统的实现进行了较为详细的描述，并用所研制的测振系统进行了实际测量，得到较为理想的实验结果．     

扬声器纸盆材料动态弹性模量的新测量方法

本文从理论上对末端有负载的臂梁的自由振动频率进行了计算，并采用新的激振和拾振装置，建立一种扬声器纸盆材料的动态弹性模量的新测量方法，测量了若干纸盆试样，得出典型的幅频响应曲线，并对实验结果进行了分析。     

Microfeeding with different ultrasonic nozzle designs

Microfeeding of dry powder excited by ultrasonic vibration makes use of relatively simple equipment and can be applied to solid freeforming and pharmaceutical dosing. The nozzle was a vertical glass capillary and four configurations for ultrasonic actuation were investigated: Type I had a piezoelectric transducer ring bonded to the base of a cylindrical water-containing vessel containing an axial nozzle; Type II had a piezoelectric transducer ring attached to the sidewall of the vessel; Type III used direct mechanical connection to the glass wall of the capillary to give nominally longitudinal vibration; and Type IV also used direct connection to the glass tube but arranged to give progressive wave vibration. The experimental results show that all four configurations realized powder microfeeding and dosing but the characteristics, in terms of minimum flow rate, dependence on voltage amplitude and uniformity of dose varied considerably. The discharge of particles was observed by a high-speed camera.     

圆环状复合材料高频宽带水声换能器

研制了一种圆环状高频宽带水声换能器。利用压电复合材料Q值低从而频带宽的特点,采用双环轴向堆叠产生双模态耦合的结构方式拓宽换能器的带宽。通过理论分析与仿真计算,确定敏感元件几何尺寸。用切割-浇注-被覆电极等工艺制备出压电复合材料圆环;再将制备出的外径相同,壁厚不等的压电复合材料圆环轴向叠堆制成叠堆敏感元件,最后灌注防水透声层制成换能器。对制得的换能器进行水下性能测试,测得该换能器谐振频率为410 kHz,最大发射电压响应为150 dB,-3 dB带宽达60 kHz,水平指向性开角(-5 dB)为360°,-3 dB垂直指向性开角约20°。结果表明将复合材料圆环轴向堆叠可显著拓展换能器的带宽,且实现声波的水平全向发射。      

前盖板开矩形通孔型宽带换能器

提出一种利用多模态耦合的开孔型宽带换能器。在传统纵振换能器前盖板一定距离处开一矩形通孔,以激发出能与纵振耦合从而拓宽频带的振动模态。以带宽为目标,利用有限元方法对通孔的长度、宽度和孔前端离前盖板端面的距离进行了优化设计,得到了最佳的开孔位置和尺寸。研制了换能器样机。测试结果表明,在12~32 kHz频带范围内,换能器有3个工作模态,后两阶模态对工作带宽的展宽有贡献。未开孔的同尺寸纵振换能器-3 dB带宽仅3 kHz,开孔换能器带宽则达10.50 kHz,有效地拓展了工作带宽。理论计算和测试结果吻合较好。      

阶梯圆环压电超声换能器径向振动性能的理论研究*

提出了一种阶梯圆环径向振动压电超声换能器,根据力电类比原理建立了阶梯圆环及阶梯圆环换能器的径向振动等效电路,推导了阶梯圆环的径向共振频率方程和位移放大系数,在此基础上进一步推导了换能器的径向共振和反共振频率方程。通过理论推导和有限元仿真模拟分析了阶梯圆环压电超声换能器的径向振动性能。结果表明,增大阶梯圆环中内外环的径向厚度之比K1或减小轴向厚度之比K2,阶梯圆环的一阶径向共振频率减小,二阶径向共振频率增大;在二阶径向共振模式下,K1、K2值在一定范围内阶梯圆环可实现由内向外的径向位移振幅放大;随着压电陶瓷圆环的内半径增大,阶梯圆环压电超声换能器的一阶、二阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振下的有效机电转换系数趋于零;增大阶梯圆环内环的外半径,换能器的一阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振和反共振频率先增大后减小,理论推导与仿真模拟结果符合良好。本文研究结果为阶梯圆环压电超声换能器的工程应用提供理论参考。     

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.     

四边型弯张换能器特性研究及宽带设计

四边型弯张换能器通常工作带宽较窄,为了提高带宽性能,对四边型弯张换能器振动及辐射特性进行了研究,重点分析壳体结构参数对换能器发送电压响应的影响。根据分析结果提出了拓宽换能器工作带宽的方法,利用有限元软件进行了仿真计算并制作了四边型弯张换能器样机。测量得到在2.4~5 kHz的频率范围内,换能器的最大发送电压响应值达到140 dB,带内起伏4 dB,有限元仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果表明设计的四边型弯张换能器不仅能够低频工作,并且可以在小尺寸下实现大功率发射,同时还具备宽带发射特性。      

振动声成像系统分辨率研究

本文从振动声成像的基本原理出发，通过引入点扩展函数PSF和定义轴向响应函数ARF，研究了由凹球面聚焦换能器分割而成的一种典型共焦换能器参数对振动声成像系统侧向分辨率和轴向分辨率的影响。计算研究表明：增大凹球面换能器的口径、减小几何焦距和提高中心频率均可以提高系统的侧向分辨率和轴向分辨率；但改变凹球面换能器的分割比例对两种分辨率影响不尽相同。综合考虑超声换能器激励、聚焦性能以及产生的辐射力效果等因素，则换能器应按等辐射面积原则分割为宜。文中还分析了介质的声衰减系数对实际轴向分辨率的影响。     

多谐振宽带Janus-Ring换能器

提出了一种多谐振宽带Janus-Ring换能器,两个一定距离的压电圆环换能器(Ring换能器)嵌套在双面纵振Janus换能器的两端,Ring换能器的径向振动、Janus换能器的纵振动与它们中间形成的Helmholtz液腔振动相耦合,可大大拓展换能器的工作带宽。使用有限元方法设计并研制了Janus-Ring换能器样机,经测试在1.8~8.0 kHz范围内,样机最大发射电压响应144 dB,起伏小于6 dB。相比传统的Janus-Helmholtz换能器,Janus-Ring换能器有效拓展了工作频带,增大了发射电压响应,减小了频带内的发射电压响应起伏。      

Analysis of the sandwich piezoelectric ultrasonic transducer in coupled vibration

The coupled vibration of the sandwich piezoelectric transducer with a large cross-section is analyzed using an approximate analytic method. The resonance frequency equations of the transducer are derived and the effect of the geometrical dimensions on the resonance frequency is studied. It is illustrated that when the radial vibration in the transducer is considered, the vibration of the sandwich transducer becomes more complex. Apart from the longitudinal resonance frequency, the radial resonance frequency can also be obtained. For comparison, numerical methods are also used to simulate the coupled vibration; the resonance frequency and the vibrational displacement distribution are computed. Compared with one-dimensional longitudinal theory, the radial dimensions of the transducer are no longer limited because the coupled vibration is considered. Compared with numerical methods, the physical meaning of the analytic method is concise. It is illustrated that the resonance frequencies obtained from the coupled resonance frequency equations are in good agreement with those from numerical methods, and they are in better agreement with the measured results than those from one-dimensional theory. Since the radial and the coupled vibration are considered in the analysis, more resonance frequencies can be obtained. Therefore, using the coupled resonance frequency equations, the sandwich transducer with multifrequency or wide frequency bandwidth can be designed and used in ultrasonic cleaning, ultrasonic sonochemistry and other applications.