有限面元式Helmholtz积分方程法求解慢波导环形换能器的辐射声场

慢波导环形换能器是由慢波导和自由淹没式环形换能器组合而成的一种水声换能器。这种换能器利用慢波导对声场的调节作用,有效地改善了换能器的方向性。但是,这种换能器的辐射声场不能直接利用Helmholtz积分法进行解析求解。为此,本文利用有限面元式Helmholtz积分方程算法对其进行了数值求解。文中给出了慢波导环形换能器方向性的数值计算结果和实际测量结果,两者基本上是一致的。     

锥形剖面径向复合超声换能器的机电等效电路

研究了一种锥形剖面径向复合超声换能器。该换能器由一个等截面内金属圆环、一个轴向极化的压电陶瓷圆环和一个锥形剖面外金属圆环沿径向复合而成,且换能器的径向尺寸远大于高度。锥形剖面外金属圆环满足关系式h=h₀r,h₀为厚度变化常数。基于平面应力径向振动理论,推导了换能器的机电等效电路,得到了共振频率方程和反共振频率方程,进而研究了换能器的振动特性。并将理论计算的第1阶、第2阶径向共振频率和反共振频率与数值仿真结果相比较,二者结果一致。研究表明:锥形剖面换能器第1阶、第2阶径向共振频率、反共振频率、有效机电耦合系数不仅与换能器各部分的材料、径向几何尺寸有关,还与h₀有关。h₀越大,第1阶径向共振频率、反共振频率越大,有效机电耦合系数先增大后减小。与等截面相比,锥形剖面换能器沿径向向外辐射声波,辐射面积更大,辐射声功率更高,指向性更好。      

高频心形指向性圆弧换能器阵的研制

本文叙述工作频率为100kHz,水平方向为心形指向性换能器圆弧阵的研制。φ=±60°方向的声压比φ=0°方向的声压高12dB,φ=60°方向发射电压响应为163dB,声源级为215dB(0dB=1μPa/V·m)电阻抗为140Ω,Q_m=6。 换能器阵半径为15cm,由两个扇面组成,振子粘在铜板上,直接向水中辐射声能。考虑到阵元是无后辐射的,且圆弧半径远大于水中工作波长对远场的声压用射线声学方法处理,所得到的计算公式与测量结果符合。     

具有阻抗匹配层的宽带纵向振动压电换能器设计

本文研究纵向振动压电换能器的频带展宽问题。在复合棒纵向换能器的辐射端加工适当材料的阻抗匹配层,可以使其工作在非单谐振状态下,在单层阻抗匹配层的情况下,合理地选择匹配层的厚度可以调整其谐振点之间的位置,从而改善换能器的辐射特性。本研究结果表明,对于机械品质因素Qm=6,发射响应带宽△f=4kHz的纵向振子,采用四分之一波长厚度的匹配层,在不降低发射响应的条件下,可展宽频带一倍以上。     

声速测定实验谐振频率测量研究

在声速测定实验中,接收换能器位置对谐振频率测量结果有一定影响。目前,对这种影响的研究较少。研究接收换能器输出电压随接收换能器位置的变化,发现当两个换能器间距较小时,不同频率下的输出电压极大值的位置是聚集的,随着换能器间距的增加该位置逐渐发散。当换能器间距较小且接收换能器处于干涉极小值位置时,谐振频率测量不受共振干涉的影响。     

Terfenol-D超磁致伸缩换能器的有限元模拟

本文研究了利用ＡＮＳＹＳ软件分析磁致伸缩换能器,使这一有限元分析软件能够用于Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ换能器的分析设计。设计了１４ｋＨｚ Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ纵向换能器,计算结果与实验结果符合很好。     

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。     

声表面波空心叉指换能器

本文提出一种新的声表面波叉指换器结构——空心叉指换能器。对空心叉指换能器和普通叉指换能器(例如,双叉指换能器和单叉指换器)的性能进行了比较。给出了设计空心叉指换能器的数据。分析和实验结果证明,这种换能器与普通叉指换能器相比,其优点是:在相同的制造工艺和满足规定的指间反射的情况下,容易实现高的成品率和较高的工作频率。     

穿单孔型宽频带换能器

提出一穿单孔型换能器,即在夹心式压电换能器前盖板上穿一圆台形单孔。先利用一维设计理论推导出在某一参考面换能器的等效质量、等效电阻的表达式,得到换能器的机械品质因数和带宽的表达式。后又利用有限元方法计算了换能器的电压发射响应。与未穿孔换能器相比较,在一定尺寸范围内,频带宽度将得到拓宽。实验结果与理论计算符合比较好。     

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.      

四边型弯张换能器特性研究及宽带设计

四边型弯张换能器通常工作带宽较窄,为了提高带宽性能,对四边型弯张换能器振动及辐射特性进行了研究,重点分析壳体结构参数对换能器发送电压响应的影响。根据分析结果提出了拓宽换能器工作带宽的方法,利用有限元软件进行了仿真计算并制作了四边型弯张换能器样机。测量得到在2.4~5 kHz的频率范围内,换能器的最大发送电压响应值达到140 dB,带内起伏4 dB,有限元仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果表明设计的四边型弯张换能器不仅能够低频工作,并且可以在小尺寸下实现大功率发射,同时还具备宽带发射特性。      

温度对应变式位移传感系统灵敏系数的影响

应变式位移传感系统的工作原理是基于电阻应变效应,该系统具有精度高﹑稳定性好等优点,但温度尤其是极端低温环境将影响该系统的灵敏系数,进而影响其测量精度.本文介绍了一种可用于低温环境的应变式位移传感系统,理论分析和实验研究了温度对该系统灵敏系数的影响,研究结果为其在低温环境中的应用提供了一定基础。     

混合激励纵振换能器的研究

纵振式换能器是水声领域中不可或缺的一类中频段换能器,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷材料PZT作为驱动元件设计混合激励纵振式换能器。利用ANSYS有限元软件建立了有限元模型,对换能器的电声参数进行了优化,并制作一宽带混合激励纵振式换能器,实验测得的换能器与仿真的结果较为吻合,实测换能器的最大发送电压响应为145dB,其工作频带为4kHz-16kHz,频带内发送电压响应起伏为±4.5dB。     

一种高灵敏压电平面水声换能器

设计并制作了一种高灵敏压电平面水声换能器。该换能器敏感元件是对1-3-2型压电复合材料结构的改进,即在带基底的压电陶瓷小柱阵列间不注入聚合物,并在其上表面直接覆盖金属板,构成“带基底的压电小柱阵列+金属盖板”结构敏感元件(称为“空气填充型”敏感元件)。对“空气填充型”敏感元件的谐振频率进行了理论计算和有限元仿真,与实测结果较吻合。为便于对比性能,同时制作了同尺寸“1-3-2型压电复合材料+金属盖板”结构敏感元件(称为“聚合物填充型”敏感元件)换能器。分别对“空气填充型”和“聚合物填充型”敏感元件换能器的有效机电耦合系数、发送电压响应和接收灵敏度进行有限元仿真和实测,结果均显示,“空气填充型”敏感元件换能器具有较高的接收灵敏度,相较于“聚合物填充型”敏感元件换能器可提高21 dB。该敏感元件换能器能有效提高灵敏度,可为研制高灵敏换能器提供参考。      

一种新型光纤压力传感器的设计

设计了一种工作波长为800 nm的光纤压力传感器,提出了一种用补偿光纤对温度和双折射进行补偿的方法,并从理论上进行了解释.在不同温度和压力条件下对该传感器进行了实验,相对误差小于1.5％.实验结果表明,该补偿方法是有效的.在0℃~50℃的温度下,对传感器在0～40 MPa的压力范围内进行了测试,其标准偏差在1%以内.     

The optimum bandwidth of chirp signals in ultrasonic applications

A new formula for the pulse-compression ratio achievable with linear FM pulses (chirp signals) in ultrasonic applications is derived. The calculations take into account the frequently omitted effects of the transfer function of an ultrasonic transducer. For a squared-cosine type transducer spectrum, the optimum chirp signal bandwidth is 1.14 times the 6 dB bandwidth of the transducer. The pulse-compression ratio is 2.24 dB lower than in the case of an ideal broadband transducer. Measurements show a close agreement with the presented theory.     

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.     

一种新型Cymbal换能器的研究

提出并研究了一种新型的Cymbal换能器.与传统的Cymbal换能器相比,该换能器中的压电陶瓷圆盘由一个金属圆环和压电陶瓷圆盘的径向组合体所代替.论文首先探讨了压电陶瓷圆盘和金属圆环组合体的径向振动,用解析方法得出了其径向振动的机电等效电路.在此基础上,得出了新型Cymbal换能器的机电等效电路,并得出了其共振及反共振...     

压电换能器等效模型分析与阻抗匹配设计

声光可调滤光器(Acousto-optic tunable filter,AOTF)的衍射效率不仅与功率信号源的质量、声光晶体氧化碲(TeO_2)的切型有关,而且压电超声换能器的结构以及其阻抗匹配网络也对AOTF的衍射效率有很大影响。本文对X切型铌酸锂(LiNbO_3,LN)四层镀膜压电超声换能器的等效模型进行了分析,确定了声光介质存在时换能器的阻抗特性,利用射频微波仿真软件,设计了电感-电容复合匹配网络。将换能器压合在TeO_2上,用复色光作为光源进行了声光衍射实验,经仿真与实验验证表明,该匹配电路可以有效的改善压电换能器的阻抗特性,提高换能器带宽,提高能量传输效率,AOTF衍射效率最高可达92.67%。     

弓张式超磁致伸缩材料换能器的设计与分析

为了提高超磁致伸缩换能器的作动行程,以获得足够大的发音强度,并使之满足发音装置体积小、装配零件少的要求,结合超磁致伸缩材料（GMM）的优良特性,提出一种基于三角放大原理的弓张式GMM换能器。该换能器以GMM棒作为驱动元件,通过固定弓张结构的一端,将双向输出转变为单向输出,同时利用柔性铰链结构,进一步增大换能器的位移输出。通过分析换能器的工作原理,计算得到其理论放大倍数为2.73,与所建立的有限元仿真模型计算得到的放大倍数2.8相近。制作了试验样机并搭建了相应的试验系统,得到在1 kHz范围内换能器最大输出位移为15.5 m,与仿真结果14.058 m相近。提出的弓张结构实现了换能器的位移放大,相应的分析方法也较好地反映了换能器的输出特性。