高频宽带嵌套式复合材料换能器*

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310kHz,最大发送电压响应为188.5dB,-3dB带宽可达130kHz,接收灵敏度最大可达-186.8dB,-3dB带宽可达90kHz,谐振频率处-3dB的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

具有大指向性开角及高发射电压响应的发射换能器

应用复合变幅杆及夹心式换能器结构,研制了一种指向性开角较大且发射电压响应较高的发射换能器。应用有限元方法对换能器的工作频率,发射电压响应及指向性进行了理论计算。并与实验结果进行了比较,结果较吻合。本文研制的换能器工作频率为75.6kHz,发射电压响应级达到1 56dB(基准值1V/μPa),-3dB发射指向性开角100°     

压电管堆式宽带换能器*

研究了一种具有管状叠堆结构的圆管换能器,其敏感元件是由纵向极化压电陶瓷单元组成的薄壁管状压电叠堆,探讨利用管状叠堆纵向和径向振动耦合实现宽带发射。利用压电柱壳振动理论推导了管堆的频率方程,分析了换能器的纵向和径向模态的振动耦合特性。在理论分析的基础上利用有限元方法对换能器的带宽和发射电压响应进行优化并研制换能器样机。测试结果表明,纵向极化的管状压电叠堆结构具有良好的发射电压响应和宽带特性,与理论及仿真结果相符。     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器*

高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一,为了探究其在水声换能器领域的应用潜力,该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据仿真结果优化结构尺寸,制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明,铌酸钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为35kHz,最大发送电压响应为 151dB,声源级可达 190dB,在 26kHz~67kHz 的频率范围内发送电压响应的起伏不超过±4.5dB,谐振频率处-3dB 的指向性开角约为 76°。该无铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能,有望推动无铅压电材料在水声换能器领域的应用进程。     

双椭圆壳串联宽带弯张换能器

提出一种利用多模态耦合的低频、宽带、大功率的新型弯张换能器,其结构上将两椭圆的Ⅳ型弯张壳体沿长轴方向串联为一体,两组长压电陶瓷堆贯穿其中驱动。利用有限元软件设计并制作一款此新型换能器的样机,其工作频带通过耦合壳体前三阶弯曲模态及压电陶瓷堆纵振模态与壳体膜模态的复合模态展宽。经测试在1.4~6.0 kHz范围内,样机的发射电压响应大于128.5dB,声源级大于190dB。结果表明,此弯张换能器与只利用一阶弯曲模态的Ⅳ型弯张换能器相比不仅有更宽的工作带宽,还满足低频和大功率的声辐射要求。      

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。      

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。      

折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器

提出一种具有小尺寸、低频、水平无指向性的新结构换能器——折回型纵向振子拼合圆柱换能器,换能器由4组共享尾质量块的折回型压电纵向振子正交布置驱动环形辐射面拼合构成。采用有限元方法对换能器进行优化设计,并制作了换能器样品。实验结果表明:换能器直径为Φ180 mm,谐振频率为1.5 kHz,最大发射电压响应为131 dB,最大声源级不低于188 dB,水平全向。该换能器具有低频、小尺寸、水平无指向性的特点,具有良好的应用前景。      

空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料匹配层空耦式压电换能器

研制了一种厚度模空耦式压电换能器,使用综合考虑材料衰减系数和声阻抗的空耦式压电换能器电力声等效电路理论模型以指导匹配层结构设计和材料选择,选用新型的空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料作为声匹配材料,优化设计电阻抗匹配及结构参数。该换能器中心频率为510 kHz,-6 dB频域相对带宽为25.4%,插入损耗为-27 dB。结果表明,使用新型低衰减系数的闭孔复合材料单匹配层设计的该换能器不仅保证了高灵敏度,同时简化了换能器结构,为空耦式压电换能器研制提供了新思路。      

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.     

多基元聚焦空气耦合超声换能器*

文中针对空气耦合超声换能器及其在表面缺陷检测中的应用开展了研究。选用1-3型压电复合材料及双匹配层结构来实现超声换能器压电材料与空气之间声阻抗的逐渐过渡,提高压电材料/空气界面的声能量透射率进而提高空气耦合超声换能器的灵敏度。在此基础上研发制作了440 kHz多基元聚焦空气耦合超声换能器,并对其性能进行了测试。其焦距、焦宽及焦深分别为41.44 mm、1.14 mm和20.30 mm,灵敏度和带宽分别为-50 d B和20.2%。测试结果表明该空气耦合超声换能器具有优良的性能,利用该超声换能器可以有效检测材料表面缺陷。     

Study of 1-3-2 type piezoelectric composite transducer array

Based on a new structure of precise location and decoupling between the transducer elements, high frequency underwater transmission transducer arrays with 4 elements and 8 elements serried uniform linear array were studied, using novel 1-3-2 type piezoelectric composite as the sensing material. There are ceramic framework supports in the transverse and longitudinal directions in 1-3-2 type piezoelectric composite structure; the transducer is free from the influence of outside mechanical impact and the environment temperature change. Transducer and array samples have been designed, fabricated and measured. The resonant frequency is 150 kHz, resonant transmission response greater than 160 dB, and bandwidth is from 140 kHz to 160 kHz. The results indicate that, the transducer array has wide bandwidth, high sensitivity, stabile performance, and good coherence.     

1-3 piezoelectric composite transducers for swept-frequency calibration of hydrophones from 100 kHz to 2 MHz

Rapid calibration of hydrophones used in biomedical ultrasound is possible with swept frequency techniques such as time delay spectrometry. However, calibrations below 2 MHz largely have been neglected because of insufficient transmitting transducer bandwidth, even though important medical applications operate in this range. To address this deficiency, several transmitting transducer designs were developed and tested, and two 1-3 piezoelectric composite designs were found to have the requisite bandwidth and uniformity of response. In one the element has a plane front face and spherically concave back face (plano-concave), and in the second both faces are concave, but with different radii of curvature (biconcave). The nonuniform thickness disperses the thickness resonance, and the composite structure suppresses radial-mode resonances. Also, the composite's lower acoustic impedance provides a more efficient match to water. The piezoelectric composite transducers were found to have transmitting pressure sensitivities superior to ceramic single-element and segmented designs having similar dimensions, and their responses were significantly more uniform (< 25 dB variation from 0.1-2 MHz, with < 1 dB fine structure variation), likely due to decreased contributions from radial modes.     

一种宽带大功率镶拼圆环换能器的设计

介绍了一种大功率宽带换能器的设计方法,换能器由三个镶拼圆环组成,圆环之间用去耦材料隔振。采用有限元方法仿真圆环振子的电声性能,根据仿真结果优化结构尺寸。运用互辐射理论探讨了整体换能器的性能,研制了样机并进行测试。测试结果表明,换能器在2.8 k Hz～8.0 k Hz工作频带内最大发射响应为148 d B,起伏在±2.5 d B之内,具有较大的发射电压响应和较宽的工作频带。     

Multi-resonant broadband Janus-Ring transducer

A Janus-Ring(JR) transducer with two piezoelectric rings placed around a Janus driver is presented.The rings have radial vibration,whereas the Janus has longitudinal vibration,and a resonance of Helmholtz cavity is observed between them.By joining the three resonances,the working frequency bandwidth of the transducer is prominently widened.After simulation using finite element method,a prototype is finally fabricated and tested.Results show that in the working frequency of 1.8 to 8.0 kHz,the maximum transmitting voltage response(TVR) is 144 dB,and the fluctuations are less than 6 dB.Compared with traditional Janus-Helmholtz transducers,the JR transducer has the characteristics of wider bandwidth,greater TVR,and less fluctuations of TVR in working frequency band.