双凯塞尔加权的声表面波带通滤波器

仅对表面波滤波器一个换能器加权(辛克函数乘凯塞尔窗口,以下简称单加权)可控制整个频响。根据此原理,我们制作了单加权声表面波滤波器。在其基础上,用两换能器都进行幅度加权,中间加一多条耦合器结构(以下简称双加权),制成了中心频率f_0=30—70MHz,相对带宽△f_зdB=(11％—40％)f_0,带内波纹(相邻峰值)△b=±0.2—±0.4dB;旁瓣抑制SS≥42—49dB,矩形系数K_0.01=1.36—1.45的几种规格的带通滤波器。     

二阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性

信号混叠是基于光纤水听器的现代声纳系统走向应用必须解决的一个关键问题.初步的实验结果已经表明,声低通滤波光纤水听器是解决信号混叠问题的一种简单且行之有效的方案.基于电一声类比理论,建立了声低屯瞬ü庀怂鞯牡推导胁瘟磕Ｐ?利用电路分析的方法对其频响特性进行了研究.结果表明,这种光纤水听器系统与典型的二阶低通滤波电路具有相似的频响特性.为了验证理论分析的正确性,设计制作了一个简单的声低通滤波光纤水听器,并在驻波罐中对其声压灵敏度频响特性进行了测试,实验结果与数值计算的结果基本吻合.该光纤水听器低频响应非常平坦,声压灵敏度约为-141 dB,测量共振频率为985 Hz,与理论值1270 Hz基本一致.共振频率处的声压灵敏度为-126.8 dB,衰减速率约为20 dB/倍频程,3000 Hz以后的灵敏度衰减幅度大于20 dB.     

利用锥型换能器的宽带低损耗声表面波滤波器设计

分析锥型换能器的基本原则是把换能器沿孔径方向划分成足够多的通道来进行近似,设计制作的关键是加权技术和数据处理技巧。由于SPUDT的特性,把EWC型的SPUDT引入到锥型换能器对制作宽带、低损耗器件是十分有用的;我们在Y128°LN基片上采用一般型和SPUDT型锥型换能器制作了相对带宽约15%的声表面波滤波器,一个换能器采用“块加权”,另一个换能器采用抽指加权。文中给出了两种器件的实验结果,SPUDT型声表面波滤波器的插损仅7.5dB。     

四阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性

对四阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性进行了详细的理论和实验研究.在已有的低频集中参量模型中引入了一个机械声阻,用于描述系统的机械损耗,从而得到了改进的声学等效电路.相位频响特性对于光纤水听器的阵列应用非常重要,关系到阵列的波束形成效果,进而影响系统定位、识别与跟踪目标的能力,因此在分析幅度频响特性的同时研究了相位频响特性.仿真分析了各主要参量对声压传递函数的影响,得到了一些对声低通滤波光纤水听器设计具有重要指导意义的结论.实测声压灵敏度频响曲线与仿真结果基本一致,较好地验证了理论分析的正确性.四 关键词： 光纤传感器 光纤水听器 声压灵敏度 低通滤波器     

声表面波单指无内反射叉指换能器

在陈-Haus理论的基础上,本文首先从实验上研究了YZ-LiNbO_3上的短路金反射栅及ST-X石英上的沟槽填铝短路反射栅的反射特性,证明了这两种结构存在异常反射现象。同时,在实验中发现YZ-LiNbO_3上的短路金反射栅存在用改变栅条厚度无法消除的残余反射现象。我们将陈-Haus理论开拓到各向异性晶体的实际情况,从理论上解释了这一现象。 进而从耦合模理论出发讨论了叉指换能器的反射理论。在此基础上,本文着重从理论和实验上提出了利用异常反射现象实现单指无内反射换能器结构,具体分析和实现了两种无内反射叉指换能器结构:YZ-LiNbO_3上的金单指结构和ST-X石英上的沟槽填铝单指结构。在YZ-LiNbO_3上做出相对带宽14％,带内畸变小于±1dB的带通滤波器。与通常铝单指结构滤波器相比,带内畸变减小近10dB。在ST-X石英上做出了相对带宽0.9％,带内响应与理论设计要求完全相同的带通滤波器,而用通常铝单指结构,则滤波器的带内畸变将达到8dB。     

电级联表面声波共振器中的耦合振动

表面声波共振器(SAWR)是一种很有前途的窄带滤波器。但是,单个双换能器结构的表面声波共振器频率响应的边瓣抑制一般仅25dB左右。为了提高SAWR滤波器的边瓣抑制,可以采用各种措施,例如采用倒相换能器抑制直达声讯号,边瓣抑制能稍微提高一些。两个SAWR的耦合也能提高边瓣抑制。三个SAWR的电级联可将边瓣抑制到接近80dB。因     

大角度波束扫描的宽带平面阵研究

本文中介绍了一个可以实现大角度波束扫描的宽带平面声基阵,设计了纵向振动与换能器前盖板弯曲振动相复合的宽带换能器作为基元,保证了基阵具有较好的宽带性能。针对基元的自然指向性难以满足平面阵进行大角度波束扫描的要求,本文中采用通道型橡胶反声障板技术来拓宽阵上换能器的单元指向性,从而实现平面声基阵的大角度、宽带波束扫描。在有限元和边界元进行优化设计的基础上,制作了实验样阵。测试数据表明:在工作频段内换能器响应起伏不超过3 dB,12 kHz时阵上基元指向性达到了140°,基阵-3 dB波束覆盖范围可以达到144.4°,最大旁瓣不超过30%。     

一种“闪烁型”IDT阵列声束偏转器

本文提出了一种类比于光学中“闪烁光栅”的声表面波叉指换能器的陈列结构。讨论了由该阵列激励的一级声束(主偏转声束)的相对强度与阵列诸参数的关系。讨论了该声束的相对强度随声频而变化的规律(频率响应)。理论分析与实验结果表明:对本文所述的具体阵列结构说来,主偏转声束的相对强度,在声频变化一个倍频程范围内,达65％以上,而其起伏小于3dB。本文所得到的一些基本规律,适用于阶梯形叉指换能器阵列所构成的声束偏转结构。     

200℃偶极发射换能器研究

高温偶极子发射换能器是200℃高温多极子阵列声波测井仪器研发需要攻克的主要核心关键技术问题之一。针对这一问题,该文从材料选型和工艺改良两个方面开展技术攻关,研发了耐温达200℃偶极子发射换能器,样机耐温性能测试表明其能够在200℃下连续工作12 h而不损坏,声性能测试样机最大发射电压响应为124 dB,具有与现用换能器相当的辐射性能,样机尺寸及工作频率与现用换能器几乎完全一致,可以方便地对现用仪器进行升级。目前搭载该样机的仪器已经通过孤古8实验井测试,并在新疆顺北油田现场近9000 m井下取得高质量数据,达到设计目的。该文为开展更高温换能器研发提供了详细的研究思路。     

具有单相单向换能器的水平剪切声表面波压力传感器插入损耗特性

为实现水平剪切声表面波压力传感器低损耗设计,系统研究了均匀叉指换能器(IDT)和单相单向换能器(SPUDT)器件的声波能量损耗性能。在确定最优反射系数的SPUDT结构的基础上,建立3D周期性有限元仿真模型,计算器件表面振动位移和双向输出电压瞬态响应。通过对电压信号进行傅里叶变换获得器件模型的插入损耗,并制备两种不同换能器的声学传感器,测试其频率特性和灵敏度。与均匀IDT相比,基于SPUDT器件插入损耗的仿真和实验结果分别降低了5.2 dB和5.6 dB,SPUDT器件灵敏度约为均匀IDT器件的两倍。结果表明,SPUDT能有效降低SH-SAW压力传感器声波能量的单向损耗,提高检测灵敏度,且构建的3D周期性有限元仿真模型有助于声学传感器的声波损耗分析,实现高精度和小型化的声学测量系统。      

圆环状复合材料高频宽带水声换能器

研制了一种圆环状高频宽带水声换能器。利用压电复合材料Q值低从而频带宽的特点,采用双环轴向堆叠产生双模态耦合的结构方式拓宽换能器的带宽。通过理论分析与仿真计算,确定敏感元件几何尺寸。用切割-浇注-被覆电极等工艺制备出压电复合材料圆环;再将制备出的外径相同,壁厚不等的压电复合材料圆环轴向叠堆制成叠堆敏感元件,最后灌注防水透声层制成换能器。对制得的换能器进行水下性能测试,测得该换能器谐振频率为410 kHz,最大发射电压响应为150 dB,-3 dB带宽达60 kHz,水平指向性开角(-5 dB)为360°,-3 dB垂直指向性开角约20°。结果表明将复合材料圆环轴向堆叠可显著拓展换能器的带宽,且实现声波的水平全向发射。      

声表面波指间多次反射效应的复阻抗理论

对于声表面波的指间多次反射效应,从阻抗不连续的假设出发,提出了复阻抗理论,把指条等效为具有复数阻抗和复数传输相位的传输线,从而反映出指间多次反射效应。引入这样两个复变参量之后,指间多次反射效应就可以用很简明的解析式表达出来。这样,不仅对于等间距换能器的频响和均匀栅格的反射系数,而且对于抽指栅格的反射系数和色散换能器的频响,都可以用解析表达式来表述。与通常使用的矩阵连乘的数值计算方法相比,既可以讨论结果与参量之间的关系,又可以节省数值计算的时间。     

多极子阵列声波成像测井技术研究*

多极子阵列声波成像测井已经成为测井中主要方法之一,在地层评价与油气田开发中有重要作用。在已有理论与数值模拟的基础上,经过近十年的技术攻关,我们已经在多极阵列声波成像仪器制造、测试与数值处理等主要关键技术方面都取得了长足的进展,具体包括高温正交偶极子发射换能、高温低频单极子换能器、声系测试、多极子阵列声波测井高温电路及仪器集成、资料处理及解释等主要方面。所研制的仪器及资料处理方法,经过与国外同类仪器的测井结果进行了对比分析,验证了所研发的仪器的可靠性和处理方法的正确性,这些关键技术为我国声学测井仪器装备技术研发和快速发展打下了基础,提供了技术支撑。     

可用于热声发电的曲柄连杆式换能器阻抗特性理论研究

热声发电系统具有高效、可靠、结构简单及外燃等独特优势,在煤层气发电、太阳能发电及工业余热利用等领域应用前景广阔。本文针对用于热声发电的曲柄连杆式换能器,建立了物理模型,讨论了活塞质量、转动惯量及电路负载对换能器阻抗特性的影响,表明固定频率、振幅的压力波驱动下,由于曲柄连杆式换能器行程固定,其阻抗幅值不变,而相位角随负载电阻减小而减小,阻抗实部值相应增大。最后根据换能器阻抗特性,简化模拟了采用曲柄连杆式换能器的行波热声发电系统DeltaEC模型,模拟显示在充气压力3.16 MPa、热源温度650℃时,系统可输出约645.4 W电功(热电效率16.6%),表明此换能器用于大功率、低成本热声发电的优势。本研究为曲柄连杆式换能器与大功率热声热机高效匹配的应用提供了理论基础。     

UHF频段宽带超导滤波器设计

设计了一款应用于射频接收机前端的宽带超导滤波器,该滤波器工作于UHF频段,相对带宽为22.83%。为了满足设计要求,提出了一种既可实现强耦合又可以推高寄生通带的谐振器,并且通过一种新颖的交叉耦合结构在通带两侧引入了传输零点来提高频率选择性。对谐振器进行了理论分析和模拟仿真,并利用Sonnet软件对滤波器整体电路进行了仿真和优化。该滤波器电路采用MgO基体的YBCO薄膜制作而成,测试结果表明,超导滤波器的最小插入损耗为0.03 dB,带内波动为0.05 dB,矩形系数(BW_(40dB)/BW_(1dB))为1.246,与仿真结果基本一致,可以满足设计要求。     

干涉型光纤水听器相位载波调制-解调中信号混叠产生的机理及解决方案

信号混叠是制约基于相位载波调制-解调的光纤水听器系统走向应用的一个关键问题。对信号混叠产生的机理进行了详细的理论分析和仿真,结果表明,提高光源调制频率和降低探头灵敏度都无法有效解决光纤水听器实际应用中遇到的高频干扰引起的混叠问题。基于声学滤波器原理,提出了一种新颖的声低通滤波解决方案。设计并加工制作了一种简单的声低通滤波光纤水听器,在驻波罐中对其声压灵敏度频响进行了测量。实验结果表明,该光纤水听器在测量频带上具有较好的声低通滤波特性,低频声压灵敏度约为-140 dB(0 dB=1 rad/μPa),高频衰减大于20 dB,对高频干扰有较强的抑制能力。该方案十分简单经济,能从根本上有效地解决相位载波调制-解调中的信号混叠问题。     

换能器加权的均匀槽深沟槽反射栅脉冲压缩滤波器

本文研究了均匀槽深的沟槽反射栅脉冲压缩滤波器的幅度加权新方法——换能器加权。此时,在沟槽反射栅脉冲压缩滤波器中的输入和输出换能器构成一个用于加权目的的横向滤波器。此外,我们也讨论了槽宽加权,它可以作为一种加权辅助方法。 利用上述新方法,研制了两种器件,旁瓣抑制分别达到 31dB和32dB。这是在没有采取金属条相位补偿措施下获得的,此结果还是较满意的。     

亥姆霍兹效应和文丘里效应复合型换能器设计*

为合理地从环境中获取能量为无线传感网络和微电子低功耗设备提供能量,该文提出了一种亥姆霍兹效应 和 文丘里效应复合型的换能器结构,收集环境中的能量转换为电能。该装置主要由文丘里管和亥姆霍兹共振器组成。声-结构-电多域耦合仿真,结果表明：换能器传递损失峰值以及电能最大值均发生在245 Hz处,系统共振时,能量转换效率最高。设计了整流桥调理电路与超级电容储能电路,开展了换能器的驱动能力测试,结果表明：换能器所产生的最高电压出现在结构的固有频率245 Hz处,计算得到功率为128.79 μW,实验与理论计算偏差为3.36%;换能器单元在空气压缩机气压为2 kPa的气流作用下可产生0.1148 V电压。     

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.     

对Cohn直耦滤波器理论的推广

本文把Cohn的直耦滤波器理论推广到四分之一波长耦合滤波器,从而使这两种类型的微波滤波器在理论上统一起来。给出了低通到带通的频响变换式,这个变换式考虑了滤波器电纳随频率改变。实验结果表明,应用导出的设计公式进行设计,预示的带宽和阻带衰减更接近实际。最后,对频响特性不对称性的消除方法进行了一些讨论。