电容MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了CMUT研究的发展进程和研究成果,展望了CMUT的研究和应用前景。     

压电MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了PMUT研究的发展进程和研究成果,展望了PMUT的研究和应用前景。     

污泥的超声破解实验研究

本文在测量超声破解污泥试验所用反应器声场的基础上,主要研究了复频超声作用下,超声频率和换能器位置对污泥破解效果的影响。在此基础上采用两个同相换能器,以污泥滤液COD、NH₃-N、TP的增量,首次研究了复频超声破解污泥的效果,且详细探讨了影响复频超声破解污泥的影响因素（不同频率组合、不同功率组合、不同时间组合）。实验结果与理论分析符合较好,从而说明超声是一种有效的破解污泥的方法,进而对超声处理污泥的规律进行研究,这将为超声处理污泥提供一定的实验基础。     

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．     

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）。      

基于NI ELVIS的超声换能器参数测量系统设计

为了满足超声换能器快速筛选的要求,在对超声换能器参数导纳圆法测量原理进行分析的基础上,利用NI ELVIS平台搭建了一种结构简单的超声换能器参数测量系统。采用点频法实现高精度、快速的导纳测量,采用最小二乘法拟合得到导纳圆,进而完成超声换能器诸参数的计算。基于LabVIEW软件平台编写了相应的软件系统。针对40 kHz超声换能器的测试表明,所设计的超声换能器参数测量系统精度高、处理速度快,且结构简单、便于使用。     

利用激光多普勒测振仪的空气耦合超声声场测量*

进行了空气耦合超声声场测量的实验研究。使用激光多普勒测振仪测量由声波引起的激光路径上的介质折射率变化,进而得到空气和固体材料内部的时域瞬态声压。通过直接测量空耦换能器的辐射声功率,给出对单个空耦换能器灵敏度的直接评价方法。用空耦换能器激励K9玻璃板的漏兰姆波,观测到空气中的直达波和反射波、固体板内和空气中的漏兰姆波,实现了空气和固体中微弱声波的非侵入式实验测量,为空耦换能器的特性评估和空耦检测系统的声场测量提供了实验方法。     

中科院声学所超声室生产复合材料等超声换能器

中科院声学所超声研究室的换能器研究，曾获得中国科学院重大成果一等奖和国家自然科学奖，在国内外有较大影响．在理论研究的基础上，研究室近年来推出超声检测用换能器系列产品，其中包括气介式检测、液浸式检测和固体耦合式检测几大类换能器．每一类中又有特殊的空间响应和时间响应探头和常规探头，频率一般在几千赫至100兆赫．使扶探头：．高灵敏度窄脉冲探头（灵敏度和相对带宽普遍高于市场商品探头6－20dB）．无旁瓣高斯探头．平面接触绳声束聚焦窄脉冲探头（专利产品）．首次波幅度比大于1的测量探头．直接耦会横渡直探头．有信号处…     

检测超声换能器的校准与性能测量

检测超声换能器的性能是设计制造者和使用者都十分关心的问题。本文就超声换能器的几个主要整体性能——灵敏度、时间响应(传输函数)、空间响应(指向性和声场分布)以及等效电阻抗的测量与校准技术作了简要的综述。其中以灵敏度和时间响应的测量和校准为重点介绍了各种方法的原理和适用范围,并对其特点和局限性作了分析。     

CDG型超声频电功率监测仪的研究

本文论述了CDG型超声高频电功率监测仪的主要技术原理，详细分析了该监测仪所采用的频率补偿方法及信号取样原理，给出了该机的主要技术指标及获取换能器（负载）的平均功率、平均电压及平均电流的读数方法．     

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。     

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.     

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。     

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.     

检测超声换能器的校准与性能测量

检测超声换能器的性能是设计制造者和使用者都十分关心的问题。本文就超声换能器的几个主要整体性能——灵敏度、时间响应(传输函数)、空间响应(指向性和声场分布)以及等效电阻抗的测量与校准技术做了简要的综述。以灵敏度和时间响应为重点,介绍了各种校准和测量方法的原理及适用范围,并对其特点和局限性做了分析。     

模式转换弯曲振动超声换能器的研究

本文研制了一种由纵向振动夹心式压电换能器和弯曲振动细棒组成的纵一弯模式转换弯曲振动超声换能器，从理论上分析了此类换能器的两种振动模式，井推出了其共振条件．实验表明，换能器共振频率的测量值与理论值符合很好，弯曲振动换能器的能量转换效率较高，性能稳定，在实际生产中具有广泛的应用．     

一种基于互易原理的超声功率新测量方法

本文从换能器的互易原理出发，利用平面波自易校准法获得换能器的自由场发送电流响应．根据平面活塞型换能器的衍射规律，推导出发射声功率的表达式．由此计算互易换能器在给定驱动电流（或电压）作用下的辐射超声功率．基于上述原理，使用自易校准装置测量了互易换能器的声功率一频率曲线．估计的测量不确定优于±20％．     

锁相式超声振动系统频率自动跟踪的初步研究

在功率超声的应用中，频率自动跟踪技术是需要解决的一个重要课题，是提高超声设备输出功率和效率的重要途径之一，本文阐述了超声换能器在谐振频率附近的电抗特性，由此得出了采用锁相技术进行频率自动跟踪的理论基础，文中详细叙述了锁相工频率自动跟踪系统的是电路结构及工作原理，并用压力模拟负载进行了实验，实验结果表明：系统的跟踪性能能够较好地满足实际要求。     

压电式摆动圆柱形偶极发射换能器优化研究

为了实现偶极信号有效辐射,获得足够高的信噪比,全面分析弯曲波频散,本文提出了一种新型的频带范围为0.5–5 k Hz的压电式摆动圆柱形偶极声波测井换能器,并采用有限元方法对其进行了模拟和优化设计。此外,论文还对换能器进行了实验样机制作和实验测量,将实验测量与数值模拟结果进行了对比。研究表明,提出的新型偶极声波换能器比传统换能器具有更高的发射灵敏度,尤其是在低频响应范围。本文为新型偶极声波测井换能器的研发工作奠定了基础。     

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。