第三讲让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术

文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及：稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换机理的新型水声换能器,宽带换能器新技术等等;对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器.     

有限长压电薄圆管的等效电路和机电耦合系数

本文给出了径向极化薄压电圆管的等效电路和机电耦合系数.这个等效电路是一个四端网络.用电弹短路振方式和压电方程式求出换器内的能量,再用换能器的线性方程和换能器的内能得到等效电路的参量和方程式:这种推导换能器等效电路的方法能应用于其它的换能器.用换能器内的机电耦合能、弹性能和电能求得换能器的机电耦台系数。     

单面接线的厚度模压电换能器

常规的厚度模压电陶瓷换能器需要在压电陶瓷片的两个大面上接线.但是前表面的接线对于小换能器(直径小于1mm)和阵列换能器不利.两面接线还不便于批量生产,也不便于和匹配层的耦合.D.E.Laughlin等人1985年曾制作了如图1所示的小换能器.这种换能器的背电极分割成两半,分别连接电源的两极.前表面的电极不连线,与常规换能器不同,这种换能器工作时压电片的两半作反相振动,一半伸张时,另一半压缩;一半压缩时,另一半伸张.实测表明,这种换能器的声场由两个独立的声束组成(图2).     

声管测量系统的宽带复合型换能器

提出了一种纵向换能器与Ⅳ型弯张换能器相结合的复合型换能器,推导了换能器的等效电路,根据等效电路分析了纵向换能器和弯张换能器之间的耦合作用;应用有限元方法进行了结构优化,使换能器能够发射较高频率声波的同时兼顾低频发射.研制了宽带复合型换能器实验样机,对在声管中所建立的驻波声场特性进行了实验研究,并成功利用该脉冲声管系统进...     

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.     

超声技术的基石——超声换能器的原理及设计

超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件,它是超声技术中的关键器件,其性能好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围.由于超声技术的应用范围很广,且超声新技术层出不穷,因而与此对应的超声换能器的种类也很多.文章对不同应用背景下多种类型超声换能器的原理及设计进行了阐述,分析了不同类型超声换能器的性能参数及设计要求,简要总结了超声换能器的性能参数测试方法,并对超声换能器的发展趋势进行了一定的分析.     

长轴加长型宽带弯张换能器

Ⅳ型弯张换能器的机械品质因数较高,带宽不宽.为改善其带宽性能,在椭圆管形弯张壳体的基础上,利用多模态耦合的原理,提出了一种长轴加长型弯张换能器.以新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅(PMNT)为驱动材料,利用有限元软件ANSYS对弯张换能器进行了设计分析并制作了换能器样机.测量得到在1.6～16 kHz的频率范围内,换能器的最大发送电压响应136 dB,响应起伏7.8 dB.理论分析与实验结果表明,与Ⅳ型弯张换能器相比,长轴加长型弯张换能器在保持频率低,响应高等优点的同时,显著拓宽了弯张换能器的带宽.     

声速测量实验有关问题的研究

在物理实验中常利用在1对换能器之间形成的驻波测量声速.该实验是通过调节两换能器之间的距离观察接收换能器上声压(幅度或相位)变化规律获得波长.但部分文献在陈述换能器上声压随两换能器之间的距离的变化关系时,没有表达清楚或者表述错误.本文以一维黏性媒质波动方程为基础,详细给出了声压随两换能器之间的距离的变化关系.     

功能材料及其应用于换能器技术的研究进展

文章综述了功能材料及其应用于换能器技术的研究进展,包括声学换能器领域应用的功能材料发展状况及基于这些材料的换能器新设计,所提及的材料包括磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电复合材料、压电聚合物材料及高温压电陶瓷材料等等.文章还概要介绍了一项应用于声学换能器领域的新技术——微机电(MEMS)技术及其换能器.     

管梁耦合宽带换能器

对一种管梁耦合宽带换能器进行了研究,通过在圆环换能器中加入弯曲梁组成管梁耦合结构,增加有效工作模态,利用多模谐振耦合优化设计,可使换能器的工作带宽向低频大幅扩展.理论计算与实测结果均表明,管梁耦合换能器具备频带宽、功率大、尺寸小、深水性能好等特点,兼具圆环换能器与弯张换能器的优势,工作性能优良,设计灵活多变.      

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.     

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.     

圆锥面PVDF聚焦换能器的非线性声场理论及实验研究

圆锥面聚焦换能器可在超声成像中获得较好径向分辨率的同时提高探测深度.利用高斯声源函数叠加法来近似表示圆锥面聚焦声源的分布函数，结合近轴近似的KZK方程，得到了圆锥面聚焦换能器在损耗媒质中产生的基波、二次谐波声场的解析解.在实验上制作了PVDF圆锥面聚焦换能器，测量了圆锥面聚焦换能器的基波及二次谐波声场，实验结果和理论计算相符.     

能提高超声检测分辨率的新探头

为了提高无损检测的分辨率,超声换能器必须能产生很短的脉冲,并且在整个声场范围内保持确定不变的波形.本文讨论了这种换能器的理论基础、制作方法和运用情况.脉冲回波检测法的一个发展方向是宽带换能器的使用.这种换能器可以产生很短的超声脉冲,因而可以提高目标距离的检测精度,也可以满足运用频谱法定性对换能器的要求.要分析用宽带换能器得到的回波信号,必须了解暂态声场的结构.而常用的稳态声场理论不能直     

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     

高分辨率扇形阵列超声激发振动声成像研究

对扇阵换能器的振动声成像进行了研究.在相关振动声成像和扇阵换能器的理论基础上,经过推导修正并得到了精确的速度势函数.进一步计算并仿真了系统点扩散函数（point spread function, PSF）,构造了组织模型,进行了成像仿真.最后分析了影响扇阵换能器系统分辨率的因素.研究结果表明：用扇阵换能器进行振动声成像可以获得很高的图像分辨率及对比度,在高强度聚焦超声（HIFU）治疗的热损伤检测等方面有重要的应用价值.分析指出通过提高换能器工作频率,减小几何焦距,增大口径可以提高系统的分辨率. 关键词： 振动声成像 扇形阵 点扩散函数     

用数字网络技术模拟厚度模压电换能器

本文推导出表示厚度模压电换能器离散输入输出的差分方程和流程图.这样,就将这类换能器类比为递归型数字滤波器,并可由数字网络理论分析和模拟换能器.     

水下声成像PVDF—DMOS换能器

本文通过研制水下声成像PVDF-DMOS集成接收换能器,分析了高分子压电薄膜在水声中应用的新途径及其组成换能器的振动模式,建立了机电等效电路图.并分析了影响器件灵敏度的诸因素.介绍了本工作的测量结果,评价了器件的特性.本文可供设计各种PPDF压电换能器、传感器时参考.     

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.     

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.