随钻声波测井圆弧状压电阵子的有限元分析*

圆弧状压电阵子是随钻声波测井仪发射换能器的核心部件。利用有限元法对圆弧状压电阵子进行了设计分析,结果表明20 kHz以下频率范围内主要存在弯曲振动模态及径向振动模态,且径向振动模态能够满足随钻声波单极测量模式的工作频率要求。针对径向振动模态,数值模拟了几何尺寸对压电阵子声学性能参数的影响。圆弧状压电阵子的谐振频率随着陶瓷片厚度的增大而升高;随着陶瓷片高度、半径及张开角的增大而降低。圆弧状压电阵子的最大发射电压级幅值随着陶瓷片厚度、张开角的增大而降低;随着半径的增大而升高;随着陶瓷片高度的增大,最大发射电压级幅值先升高后逐渐降低。以外径为6.75 in的钻铤为例,最优化设计了圆弧状压电阵子的尺寸,使其满足钻铤模式波隔声阻带中心频率的要求,同时保证了压电阵子具有最大发射电压级。数值模拟结果可以对随钻声波测井仪发射换能器设计起到良好的指导作用。     

叠合结构超低频弯张换能器

研究了一种将多个椭圆弯张壳体在短轴方向进行机械叠合的超低频弯张换能器,每个弯张壳体采用超磁致伸缩材料进行驱动。推导了多个叠合壳体的等效电路,利用支路阻抗方法得到了换能器频率和阻抗的方程表达式。针对多个壳体叠合的结构复杂性,采用有限元方法计算并分析了叠合壳体换能器的多个结构点的振动位移分布,通过平动位移分布设计了活塞辐射面的结构参数。将有限元方法计算的换能器在空气中和水中的谐振频率与等效电路法计算的结果进行了对比,符合较好。研制了6个壳体叠合的超低频弯张换能器样机,换能器外形尺寸为Φ230×630 mm,重量为39 kg。换能器经湖上试验,水中谐振频率130 Hz,最大发送电流响应161.1 dB,最大发射声源级为180.4 dB,实现了超低频、小尺寸的发射能力。      

复合圆环弯曲振动四极子模态分析

针对压电圆环弯曲振动机电转换性能较差的问题,提出了一种复合圆环弯曲振动换能器,它由一个径向极化的压电陶瓷内圆环和一个金属外圆环复合而成。基于能量原理推导得到了复合圆环弯曲振动的谐振频率和有效机电耦合系数,探讨了弯曲振动四极子模态特性与其结构尺寸间的关系。当压电圆环尺寸不变时,随外侧金属圆环壁厚增加,复合圆环弯曲振动四极子模态谐振频率上升,有效机电耦合系数迅速上升到极大值后缓慢下降。最后,设计制作了圆环换能器并对其谐振频率和有效机电耦合系数进行了实验测试,测试结果与解析结果和数值模拟结果吻合得较好。      

随钻声波测井四极子发射换能器的设计*

提出一种基于金属基片结构的随钻四极子发射换能器,其一阶弯曲模式可用于随钻四极子声源。利用有限元法对该换能器进行了设计分析,结果表明在5kHz附近存在一阶弯曲振动模态,其径向位移分布及发射电压级响应均优于单纯的瓦片状压电阵子,非常适合随钻四极子工作频率及声场的测量需求。针对一阶弯曲振动模态,数值模拟了几何尺寸对换能器性能参数的影响。换能器谐振频率随着陶瓷片厚度、陶瓷片高度、陶瓷片张开角度、金属基片厚度的增大而升高。最大发射电压级幅值随着陶瓷片高度、陶瓷片张开角、金属片厚度的增大而升高;随着陶瓷片厚度的增大,最大发射电压级幅值先升高后逐渐降低。金属基片采用铝片可以使换能器有较大的发射功率。数值模拟结果可以对随钻声波测井仪四极子发射换能器的设计起到良好的指导作用。     

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。     

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 1μPa·m/V)。     

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％。     

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。     

四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器的设计

提出了一种四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器,换能器由四组纵向极化压电陶瓷晶堆、一个中心耦合金属块和四个外部金属圆锥组成。基于二维耦合振动机理和机电类比原理,建立了换能器的等效电路模型并推导了其谐振频率方程。利用有限元软件仿真分析了四激励正交复合换能器的频响特性和振动特性,并与其单独一个方向振子的振动特性进行了对比。加工了反相和同相模态的换能器,利用阻抗分析仪和激光测振仪测试了其频率响应和二维四向纵振动输出特性,并进行了大功率二维四向超声乳化实验测试。理论、仿真和实验结果表明:换能器具有反相和同相两个纵向正交共振模态,在这两种共振模态下均可实现二维四向纵振动输出,且换能器两个正交方向振子的纵向振动具有相互耦合加强的作用;等效电路法和有限元法所得换能器的共振频率和有效机电耦合系数与实验测试结果吻合,通过与单激励正交复合夹心式压电超声换能器的有效机电耦合系数对比,发现该换能器具有更高的有效机电耦合系数。     

多端输出等幅振动的纵振动变换体

提出了一种一端输入多端输出等幅振动的纵振动方向变换体。变换体由输入杆、半球形过渡体和输出杆组成,通过半球形过渡体将一个输入杆与多个输出杆耦连为一体,并且多个输出杆呈立体分布,可实现一端纵振动输入多个方向上纵振动均匀输出。利用振动变换体端面的自由边界条件,以及各组件连接处的纵向位移、纵向力、横向位移和转角连续条件,推导了纵振动方向变换体的频率方程。解析计算了不同几何尺寸的纵振动变换体的谐振频率,与有限元法的计算值及实验测试值基本吻合。将纵振方向变换体的输入端与谐振频率为19.8 kHz的换能器相连,利用激光测振仪测试了纵振动变换体各输出端振型及各输出端相对于输入端的振幅放大系数,结果显示纵振动经过方向变换体成功地传输到了变换体的各输出杆的端面,且各输出端的振幅基本相等。      

Broadband flextensional transducer with major axis lengthened

The bandwidth of the Class IV flextensional transducer is narrow for its high mechanical quality factor.For improving its bandwidth performance,a flextensional transducer with major axis lengthened was proposed by the theory of multiple-mode-coupling based on the oval shell.The transducer driven by novel relaxor ferroelectric single crystal lead magnesium niobate-lead titanate(PMNT)was designed and analysed using finite element software ANSYS and a prototype of the transducer was developed.The transmitting voltage response of the transducer reaches to 136 dB with fluctuation 7.8 dB from 1.6 kHz to 16 kHz.Based on the theoretical analysis and experimental results,it proves that the flextensional transducer with major axis lengthened has a much broader bandwidth than the ClassⅣflextensional transducer combing with the advantages of low frequency and high response.     

自由端盖Ⅲ型宽带弯张换能器的设计

提出了一种利用多模耦合实现低频、宽带、大功率特性的新结构Ⅲ型弯张换能器。通过在压电陶瓷堆内部嵌入与凹型弯张壳体相连的弹性辅助弯曲梁结构,并用弯曲圆盘作为顶部自由端盖,增加有效工作模态。利用有限元方法对换能器进行了设计优化,分析结果显示换能器在低频段存在4个主要工作模态。根据优化结果,加工制作了换能器样机,水池实验的测试结果表明:在1.5～5.5 kHz范围内,换能器样机的发送电压响应均大于135 dB;1.5～4 kHz内的最大发送电压响应大于142 dB,响应起伏小于6 dB。研究结果表明自由端盖Ⅲ型弯张换能器不仅能够在小尺寸设计下实现大功率工作,还能获得低频宽带发射性能。      

A new design on broadband flextensional transducer

The new flextensional transducer presented is driven by a tube stacked by longitudinally polarized piezoelectric ceramic rings. The rings are compressed between two annulus steel end plates which are coupled by a dual convex aluminum shell with slotted gaps. The transducer is a free-flooded design with the interior of the tube open to the surrounding water. Three main vibrating modes including the cavity, the longitudinal and the radial can be utilized by appropriately coupling design to broaden the working bandwidth. A prototype is fabricated and measured. The results confirm the three vibrating modes mentioned above and the broad band of transmitting voltage response is gained successfully with difference less than 10 dB from 2200 Hz to 9000 Hz.     

弯张换能器装配预应力及入水后的变化

精确控制施加于驱动元件上的预应力，对换能器的设计及其工作过程都有重要意义，特别对于稀土磁致伸缩换能器来说，有助于发挥其最大潜能.利用有限元方法，计算了VII型水声弯张换能器壳体给驱动元件施加一定预应力时，壳体所需的装配位移的大小，并通过实验作了验证；弯张换能器随入水深度的不同， 驱动元件两端所受到的总的预应力是不同的.利用有限元方法，计算了换能器入水深度与预应力的关系.本文方法可适合于其他任何类型的换能器. 关键词： 弯张换能器 装配位移 预应力 入水深度     

A wideband combined transducer for measuring system in sound tube

A wideband transducer for sound tube system is presented,which combines longitudinal transducer and ClassⅣflextensional transducer to improve the performance at low frequency and broaden the working band.The equivalent circuit is obtained and used to analyze the coupling mechanism between longitudinal transducer and flextensional transducer.A prototype of the transducer is developed after optimizing the electro-acoustic performances by Finite Element Method.The standing wave in the sound tube stimulated by this transducer has been studied and the sound absorbing coefficients of two acoustic materials samples are measured using this sound tube,which shows that the transducer can meet the requirements of acoustic material measurement with the working band ranging from 1.4 kHz to 23 kHz.     

弯张壳体装配位移的理论计算及实验测量

精确地控制施加于驱动元件上的预应力，对换能器设计有着重要意义，本文结合我们的课题研究工作，用有限元方法，计算了Ⅶ型水声弯张换器壳体给驱动元件施加一定预应力时，壳体所需的装配位称的大小，并通过初步实验作了验证，本文的计算及装配方法，可以推广到其它类型的弯张换能器中。     

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.     

双壳嵌套鱼唇式弯张换能器

研究了一种双壳嵌套鱼唇式弯张换能器,针对特殊结构的空气背衬弯张换能器提出了表征换能器静压形变的系列参数,利用有限元方法研究了这些参数与结构参数的对应关系,并进行了换能器的静态分析。在静态分析基础上,研究了结构参数对换能器声辐射特性的影响,经对比分析得到换能器的优化方案,研制了实验样机,经外场试验验证了双壳嵌套鱼唇式弯张换能器具有小尺寸、频率低、高效率、大功率的工作特性:谐振频率800 Hz、最大声源级199.5 dB、电声效率23.6%、工作深度200 m。      

变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究*

针对不同厚度的病变组织,改变声焦域轴向长度能提高高强度聚焦超声在临床治疗过程中的安全性和有效性。基于多频超声波叠加原理,该文提出了变厚度(多频)聚焦换能器,并设计了两种类型变厚度聚焦换能器。根据瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能器声场,计算和分析了变厚度聚焦换能器的声焦域轴向长度,并与等厚度(单频)聚焦换能器声焦域轴向长度进行对比。结果显示,变厚度聚焦换能器中心到边缘的厚度变化趋势与声焦域轴向长度变化相关,中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度缩短,中间厚两边薄换能器声焦域轴向长度变长,且实验验证了理论的正确性。研究结果可为变厚度聚焦换能器声场研究和高强度聚焦超声的临床治疗提供参考。