正交偶极声波测井换能器有限元分析*

三叠片型换能器是正交偶极声波测井仪器的重要组成部分。换能器的性能直接影响声波测井数据的质量。本文在前人工作基础上,针对三叠片型声波测井发射换能器长度方向的一阶弯曲振动工作模式,利用有限元方法,模拟了换能器结构尺寸和边界条件变化对换能器性能的影响。结果显示,结构尺寸和边界条件对换能器的谐振频率和电导值均有不同程度的影响。参考数值模拟结果,选取合适的结构尺寸参数和边界固定方式,可以调整和选择正交偶极声波测井仪器发射换能器工作频率和最大发射效率。本文研究结果对三叠片型换能器的优化设计有较好的指导意义。     

结构参数对偶极声波换能器谐振频率的影响

偶极横波远探测技术在我国复杂地质结的构油气勘探中具有十分广阔的应用前景。换能器的工作频率直接影响声波测井的探测深度。本文对正交偶极声波测井换能器弯曲模态的谐振频率进行了解析计算,并利用有限元方法研究了其结构参数对谐振频率的影响。计算结果表明:当压电陶瓷片的长度增加时,换能器一阶谐振频率先降低后升高,三阶谐振频率先升高再降低之后又上升;当金属基片厚度增加时,换能器一阶与三阶谐振频率均升高;当压电陶瓷片厚度增加时,换能器谐振频率的变化方向与幅度还与压电陶瓷片长度等其他参数相关,有可能升高或降低。     

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。     

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.     

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。     

低频大功率稀土磁致伸缩弯张换能器的有限元设计理论及实验研究: Ⅱ.实验部分

对研制出的换能器弯张亮体及换能器的振动模态进行了测试,与理论计算相符;对换能器的声学性能作了测试：水中诸报频率为１．１６ｋＨｚ,带宽为６８０Ｈｚ,机械品质因数Ｑｍ为１．７１,单位电流发射响应在谐振频率处达到１８６．１ｄＢ,电声效率为１３．１％．     

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。     

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。      

背衬参数对厚度模压电换能器特性的影响

系统研究了厚度模压电换能器的背衬厚度、声阻抗率及机械损耗因子对换能器振动性能影响,重点分析了在所关心频率附近的有效机电耦合系数和机械品质因数。计算结果表明,随着背衬厚度增大,换能器的有效机电耦合系数和机械品质因数均震荡减小;背衬声阻抗率与压电片声阻抗率差值增大,换能器有效机电耦合系数减小,机械品质因数增大;保持压电片厚度不变,增大背衬的机械损耗因子,换能器有效机电耦合系数单调减小,机械品质因数有极小值,在给定频率范围内电特性曲线趋于光滑。用有限元方法验证了等效电路计算方法的正确性,并对比了换能器的测试结果和计算结果。计算所得规律为厚度模压电换能器的设计和实验制作提供了理论依据。      

弯张换能器尺寸与其同相振动谐振频率的关系

本文用有限元计算方法研究了弯张换能器各方向尺寸与其同相振动谐振频率之间的关系，得出以下结论：不一定所有尺寸的换能器都具有理想的同相振动模态；长、宽、高尺寸不变时，若换能器的壳体厚度值增大，则同相振动的谐振频率值随之增大；壳体厚度不变的情况下，减小长，宽、高中的任意一个参数时，其同相振动谐振频率将增高。     

Dynamic vibration absorbers for vibration control within a frequency band

The use of dynamic vibration absorbers to control the vibration of a structure in both narrow and broadbands is discussed in this paper. As a benchmark problem, a plate incorporating multiple vibration absorbers is formulated, leading to an analytical solution when the number of absorbers yields one. Using this analytical solution, control mechanisms of the vibration absorber in different frequency bandwidths are studied; the coupling properties due to the introduction of the absorber into the host structure are analyzed; and the control performance of the absorber in different control bandwidths is examined with respect to its damping and location. It is found that the interaction between the plate and the absorber by means of the reaction force from the absorber plays a dominant role in a narrow band control, while in a relatively broadband control the dissipation by the absorber damping governs the control performance. When control bandwidth further enlarges, the optimal locations of the absorbers are not only affected by the targeted mode, but also by the other plate modes. These locations need to be determined after establishing a trade-off between the targeted mode and other modes involved in the coupling. Finally, numerical findings are assessed based on a simply-supported plate and a fair agreement between the predicted and measured results is obtained.     

氨基酸官能团的太赫兹振动模式研究

对比于氨基酸的红外分析法,太赫兹波的电子能量更低,可实现无损检测。氨基酸分子内原子振动、分子间氢键的作用、以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段,使其在太赫兹波段具有吸收峰,且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同,故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法,研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系,还可以针对分子与分子间的相互作用、相互碰撞及相互反应等问题进行研究。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定参考性与指向性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,还能为实验结果进行验证。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸的太赫兹吸收谱,分别构建这三种氨基酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型,利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行太赫兹吸收谱模拟计算。计算结果表明三种氨基酸单分子的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大,但在高频段吸收峰峰位基本吻合。通过GaussView分别查看了这三种氨基酸分子在太赫兹段内的吸收峰对应频率处的振转情况,发现在高频段内三种氨基酸分子官能团均只发生转动而未见振动,并且转动模式基本一致。通过对氨基酸官能团的太赫兹吸收谱进行量子化学计算,将官能团在高频段内吸收峰对应频率处的振转模式与三种氨基酸分子在该段内吸收峰对应频率处的振转模式做了对比。研究表明,在氨基酸单分子构型下由量子化学方法计算所得的太赫兹吸收谱中,高频段内计算得出的模拟吸收峰与实验获取的太赫兹吸收峰基本吻合;振转模式分析发现,谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸在太赫兹高频段内的氨基酸官能团振转模式相同,三种氨基酸分子在高频段内的吸收峰主要来源于氨基酸官能团。因此,结合量子化学计算与太赫兹吸收谱可以实现氨基酸类物质的定性分析。     

The Fröhlich kinetic equation with additional terms

The Fröhlich kinetic equation (FKE) describes the coherent excitation in a band of polarization waves consisting of normal modes. The FKE involves the one and two quanta terms representing energy supply, energy losses and energy channeling between the modes with the help of the heat bath. The energy channeling between the vibration systems located at different positions and the channeling connected with multiple quanta processes without the help of the heat bath are analyzed. The additional terms of the FKE are derived. The multiple quanta processes may channel the energy from the coherently excited mode (or modes) to higher frequency ones.     

Individual and collective vibrational modes of nanostructures studied by picosecond ultrasonics

We report on picosecond ultrasonic measurements obtained on aluminum and platinum nanostructures with variable dot size and lateral periodicity which realized a 2D phononic crystal. Performing investigations at different resolution scales, we have identified individual modes of vibration depending on the dot size, and mode of vibration strongly correlated with the bi-dimensional organization. The platinum dots sputtered on an aluminum layer have shown a behavior of isolated oscillators without any coupling between neighbor elements in this phononic crystal. The frequency of such normal modes, extracted from time resolved measurements are in good agreement with 3D finite element simulations. In contrast, with aluminum dot systems where the coupling is more efficient we observe a complex spectrum of vibrational modes related to the band structure induced by the bi-dimensional patterning.     

基于波传播法的周期复合板振动带隙衰减特性研究

运用波传播法对有限和无限周期对边简支复合板的振动带隙衰减特性进行了研究.在建立相邻板结构边界连续方程的基础上, 分别运用传递矩阵和Bloch定理建立了有限和无限周期复合板的耦合运动方程, 并详细对比分析了有限和无限周期复合板带隙衰减特性的关联关系.研究表明: 周期板结构的振动带隙频率范围与激励方式和激励位置是相关的, 若周期复合板在宽度方向按某阶模态进行线激励, 则该激励下的振动带隙与无限周期复合板在该阶模态下的振动带隙是一致的; 若周期板在点激励作用, 则该点激励下的振动带隙是参与振动的各阶模态振动带隙的交集. 此外, 还进一步研究了结构阻尼对振动衰减带隙的影响. 关键词： 周期复合板 带隙衰减特性 波传播法 结构阻尼     

基于薄包层极大倾角光纤光栅的灵敏度增强型振动传感器

提出了一种薄包层极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器,采用基于标准单模光纤的极大倾角光纤光栅,从理论上分析包层半径的减小对波导色散因子、包层模的有效折射率、轴向应变灵敏度因子、轴向应变灵敏度及模式阶数的影响,并进行数值仿真,为其振动传感增敏方法提供理论依据。然后使用氢氟酸腐蚀光纤包层,构成不同直径的极大倾角光纤光栅并进行相关振动传感实验。实验结果表明:在40~200 Hz的频率范围内,随着包层直径的减小,极大倾角光纤光栅振动传感器在C波段的同阶和不同阶TE/TM模加速度灵敏度逐渐增大,且两者之间具有较好的线性关系;其中,同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度分别可达到100.46 mV/g与88.68 mV/g,相对于标准直径极大倾角光纤光栅振动传感器分别提高了1.36倍、1.53倍;不同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度可达到159.35 mV/g与133.37 mV/g,分别提高了2.15倍、2.31倍。     

不稳定局域模及其对杂质中心吸收带宽的影响

本文运用羣论方法,把不稳定局域模和含杂晶格的带内本征矢的散射部分都按格位羣的不可约表示分了类。具体地讨论了最近邻相互作用的简单立方晶格的情况,计算结果表明:可。能产生同P(=γ′/γ)和(=m′/m)有关的T_1u型不稳定局域模和仅与P有关的简并的A_1g,E_g,T_1g,T_2g和简并的T_1u,T_2u型不稳定局域模,以及只有同一类型的对称性驻波才能为杂质所散射。这里m′和m分别为杂质原子和基质原子的质量;γ′和γ分别为杂质与近邻之间和一般近邻之间的力常数。以同样的模型计算了各种类型声子对杂质中心吸收带宽的贡献。指出,宽度很窄的g型不稳定局域模对带宽的贡献可能变得很大,而超过其余声子的总贡献。最后讨论了单有效频率近似可能有的微观理论基础的问题。     

弯曲振动矩形板辐射阻抗的计算

本文推导了四边简支矩形板的辐射阻抗表达式, 利用高斯数值积分方法, 计算了其相对辐射阻抗的数值解. 由不同模态下相对辐射阻抗与频率以及不同长宽比对应的相对辐射阻抗与频率的关系可知, 在中低频段, 模态越低, 辐射阻抗越大, 也就意味着辐射声功率和同振质量越大; 对于一定面积和模态的矩形板, r (r=a/b, 长与宽之比)值越接近1, 即越接近正方形, 辐射阻和辐射抗越大. 本文的方法能对其他复杂边界条件下的、无振动解析解的矩形板的辐射阻抗数值量级大小提供一个参考, 也可由计算弯曲振动的阻抗自然地过渡到活塞振动阻抗的计算.     

考虑弯曲和轴向振动模态的一维梁压电阻抗模型及试验研究

同时考虑一维梁结构的弯曲和轴向振动,对其压电阻抗模型进行建模分析和试验验证。在0.02～42 kHz频段内区分并标记了一维钢梁弯曲振动模态前18阶及轴向振动模态前3阶。结果表明:在0.02～7.5kHz频段内,数值计算和试验结果中谐振峰对应频率的相对误差较大:11.7%～16.5%,其原因可能是低频时振动能量较低且波的传播受结构阻尼、边界条件及环境噪音等因素影响较为明显;在7.5～42kHz范围内,两者谐振峰位置符合良好,相对误差较小:0.11%～2.31%,表明该模型在高频段具有较好的适用性;轴向振动模态对应频率大于弯曲振动模态。本研究为结构健康监测过程中检测频段的选取及损伤信息的提取提供参考。