压电陶瓷复合换能器固有频率的有限差分法*

为丰富换能器固有频率的研究理论，以及提供一种新的计算方法供工程人员选择，提出了计算其固有频率的有限差分法。以由径向极化的压电陶瓷圆管与金属预应力管沿径向复合而成的二元压电陶瓷复合换能器为例，建立并推导了其向振动的数学模型及其有限差分形式，给出了换能器径向振动的特征方程。利用MTALAB对计算实例的径向振动的固有频率进行编程计算，理论计算结果与已有实验结果符合很好，验证了有限差分法计算压电陶瓷复合换能器固有频率的可行性及准确性。通过仿真计算，给出了换能器径向振动固有频率与其结构尺寸的影响关系：换能器径向振动的固有频率随压电陶瓷圆管内径的增大而降低，随换能器壁厚比的增大而降低。该文所建立的换能器径向振动固有频率的有限差分法同样适用于结构形式相近的换能器及其他元器件。     

空调蒸发器用管翅式换热器开缝翅片的数值设计

通过三维层流数值模拟,与平片计算结果对比,设计了适用于低流速和Re数(迎面风速1-3 m／s,对应Re数 901-2702)下的空调蒸发器用管翅式换热器的开缝翅片形式。研究表明:在上述迎面风速和Re数范围内,开缝翅片性能曲线和平片性能曲线不可避免地有一个交叉点,对应Re数称为转折Re数,在交叉点前的速度和Re数范围内,平片换热器的综合性能优于开缝翅片,而在高于转折Re数后,随着迎面风速的增大,开缝翅片的综合换热性能将越来越优于平片;依据“前疏后密”原则适当减少开缝翅片换热器开缝的条数,可以有效降低转折Re数,并显著改善低流速和Re数下换热器的综合性能。另外,再次验证了场协同理论-温度场和速度场的协同性与换热器换热量间的必然联系。     

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。      

夹心式径向复合压电超声换能器

对夹心式径向复合压电换能器径向振动特性进行了研究。该换能器由弹性内芯、预应力金属管及柱面压电陶瓷晶堆径向复合而成.利用机电类比法,得到了换能器的径向振动等效电路及频率方程。探讨了换能器第1、2阶径向共振频率及有效机电耦合系数与其几何尺寸的关系。研究表明,换能器第1阶径向共振频率随其内芯内径及预应力管壁厚度增大而降低;第2阶共振频率随内芯内径增大存在极小值,但随预应力管壁厚度增大单调下降。此外,采用第2阶径向共振模式能获得较高的有效机电耦合系数,并且压电陶瓷处于位移节线时,换能器有效机电耦合系数达极大值。对换能器共振频率的测试与有限元仿真表明。理论与实验及仿真结果符合较好。     

振动声成像系统分辨率研究

本文从振动声成像的基本原理出发，通过引入点扩展函数PSF和定义轴向响应函数ARF，研究了由凹球面聚焦换能器分割而成的一种典型共焦换能器参数对振动声成像系统侧向分辨率和轴向分辨率的影响。计算研究表明：增大凹球面换能器的口径、减小几何焦距和提高中心频率均可以提高系统的侧向分辨率和轴向分辨率；但改变凹球面换能器的分割比例对两种分辨率影响不尽相同。综合考虑超声换能器激励、聚焦性能以及产生的辐射力效果等因素，则换能器应按等辐射面积原则分割为宜。文中还分析了介质的声衰减系数对实际轴向分辨率的影响。     

径向复合圆柱压电超声换能器

提出一种三元径向复合圆柱压电超声换能器,并对其径向振动特性进行了研究。基于弹性力学理论及机电类比原理,导出了柱坐标系中分割处理径向极化压电陶瓷管准厚度模振动及薄壁短圆管径向振动的机电等效电路;利用径向力和振速连续的边界条件,得出了径向复合圆柱压电换能器系统的径向振动机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器径向共振频率及有效机电耦合系数随其几何尺寸的变化关系。研究表明,换能器的径向共振频率及有效机电耦合系数随其内芯半径和预应力管壁厚度增大而降低。研制了一些径向复合圆柱压电换能器,并对其径向共振频率进行了测试。结果表明,理论与实验结果基本一致。     

热疗用聚焦超声换能器的研究

本文通过数值计算及实际测量,研究了凹球面声透镜聚焦换能器及凹球面自聚焦换能器产生的声场,证实此两种聚焦方式均可获得理想的聚焦效果,但自聚焦方式更适合高强度聚焦超声(HIFU)加热治疗。     

阶梯圆环压电超声换能器径向振动性能的理论研究*

提出了一种阶梯圆环径向振动压电超声换能器,根据力电类比原理建立了阶梯圆环及阶梯圆环换能器的径向振动等效电路,推导了阶梯圆环的径向共振频率方程和位移放大系数,在此基础上进一步推导了换能器的径向共振和反共振频率方程。通过理论推导和有限元仿真模拟分析了阶梯圆环压电超声换能器的径向振动性能。结果表明,增大阶梯圆环中内外环的径向厚度之比K1或减小轴向厚度之比K2,阶梯圆环的一阶径向共振频率减小,二阶径向共振频率增大;在二阶径向共振模式下,K1、K2值在一定范围内阶梯圆环可实现由内向外的径向位移振幅放大;随着压电陶瓷圆环的内半径增大,阶梯圆环压电超声换能器的一阶、二阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振下的有效机电转换系数趋于零;增大阶梯圆环内环的外半径,换能器的一阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振和反共振频率先增大后减小,理论推导与仿真模拟结果符合良好。本文研究结果为阶梯圆环压电超声换能器的工程应用提供理论参考。     

径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性研究

对径向复合压电陶瓷超声换能器的径向振动特性进行了分析。该换能器由一个厚度极化的压电陶瓷实心圆盘和一个金属圆环在半径方向复合而成。论文首先研究了压电陶瓷圆盘及金属圆环的径向振动,推出了其径向振动的机电等效电路。在此基础上,利用换能器的径向边界条件,得出了径向复合压电陶瓷换能器的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了换能器的共振频率和有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的依赖关系。设计并实际制作了一些径向复合超声换能器,对其径向共振及反共振频率进行了测试,并利用有限元法进行了数值模拟。研究表明,利用文中理论得出的换能器的共振频率与实测值及数值模拟结果基本符合。     

压电圆管换能器振动特性的薄壳理论分析

本文运用弹性力学中的薄壳理论，分析了径向极化压电陶瓷圆管换能器的振动特性，并在此基础上推导出换能器等效电路的特性阻抗，为换能器的设计提供了依据。分析及计算结果表明，本文的理论与以往常用的薄膜理论相比，不仅在物理模型的描述上更为完整准确，在计算精度上也更接近实际。     

A hybrid magnetostrictive-piezoelectric barrel-stave projector

A hybrid magnetostrictive-piezoelectric barrel-stave projector is designed and developed. The new type transducer is driven by the union of rare-earth giant magnetostrictive material Terfenol-D and PZT piezoelectric ceramic. Combining the advantages of low frequency performance within a compact size, it proves that the hybrid projector has a much broader band and higher sound power than that with single magnetostrictive or piezoelectric driver by the simulated and measured results. The prototype of the hybrid projector has a size of 88 mm in outside diameter and 316 mm in length, with an underwater resonant frequency of 1.30 kHz, Q factor of 1.43 for -3 dB bandwidth, and transmitting voltage response level of 135.1 dB at the resonant frequency.     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

双激励全波长压电陶瓷超声换能器工作特性分析

对由两个半波长夹心式压电陶瓷换能器级联而成的双激励全波长压电陶瓷超声换能器进行了研究,给出了这种换能器优值的相关参量表达式,通过数值计算分析了该换能器的结构和材料参数对其特性的影响。研究结果表明,当两组压电陶瓷堆分别位于各自所在半波长换能器的位移节点,或者在压电陶瓷片数量确定情况下两组压电陶瓷堆的片数相同时,换能器均能得到最大的优值;在相当大的范围内增加压电陶瓷片的数量,换能器的优值稍有降低,但力因子迅速增大;金属块材料对换能器的优值影响甚微。可见双激励全波长换能器能在不明显降低换能器综合性能的情况下有效增加压电陶瓷的体积,因而可大幅提高换能器的功率容量和负载能力,更适用于大功率重负载的场合。      

Operating characteristics analysis of a dual-excited full-wavelength piezoceramic ultrasonic transducer

A dual-excited full-wavelength piezoceramic ultrasonic transducer as a cascade of two half-wavelength sandwich piezoceramic transducers is studied.The relevant parameters' expressions of the figure of merit N for the transducer are derived,and the effects of the structure and material parameters of the transducer on its characteristics are further analyzed by numerical calculation.The results show that when the two piezoceramic stacks are respectively located at the displacement nodes of their own half-wavelength transducers,or the two piezoceramic stacks have the same number of pieces in the case of a certain number of piezoceramic pieces,the figure of merit of the transducer can reach a maximum.With increasing of the number of piezoceramic pieces in a fairly large range,the figure of merit of the transducer slightly decreases,but the force factor of the transducer increases rapidly.The metal materials of the transducer have little effect on its figure of merit.Thus it can be seen that the dual-excited full-wavelength transducer can effectively increase the volumes of the piezoceramic stacks in the case of that the transducer's comprehensive performance has only a little bit of degradation,so it's power capacity and load capability can be dramatically improved,which means the transducer is more suitable for high power and heavy load applications.     

A sinusoidal phase-modulating fiber-optic interferometer insensitive to the intensity change of the light source

In a conventional laser-diode sinusoidal phase-modulating (LD-SPM) interferometer, the wavelength of the LD is modulated by varying its injection current. The intensity modulation concurrent with the wavelength modulation leads to measurement errors. A photothermal-modulation method has been proposed to decrease the intensity change of the LD; however, this method cannot be used to measure vibration with a high frequency, and the beam diameter is too large to be used to measure minute objects. In this paper, we propose LD-SPM fiber-optic interferometer, in which the effect of the intensity change of the light source on measurement is eliminated. The diameter of the light beam is less than 0.5 mm. Using this interferometer, we measured displacements of a mirror driven by a piezoelectric transducer. The measurement repeatability is less than 1 nm.     

Simulation of sound field in a tissue medium generated by a concave spherically annular transducer

The concave spherically annular transducer is regarded as a negative and a positive concave spherical transducer, and the spheroidal beam equation is used to simulate the linear and nonlinear sound field in a tissue medium generated by this transducer. It is found that the acoustic focus of the ring does not coincide with the acoustic focus of its central part. If the width of the ring increases, its acoustic focus will move toward the geometric focus and the amplitudes of nonlinear harmonics will increase obviously. If there are several coaxial rings placed on the concave spherical surface, more than one peak will appear along the axial direction for the fundamental, and high harmonics focus better. The distribution of sound field will change with the number and the excited signals of rings, so it maybe is a potential approach to treat locally big tumors.     

凹筒型弯张式低频发射换能器

本文介绍了一种低频发射换能器,它结构上与Ⅰ型弯曲伸张换能器有相似之处,但呈凹筒形状,具有频率低、功率大、尺寸小、重量轻等诸多优点,且其独特的外型结构适合于组排基阵,有较好的应用前景。我们研制了大小两个该型换能器,其外型尺寸分别为φ186mm×330mm和φ130mm×250mm;谐振频率分别为855Hz和1050Hz;声源级分别为195.7dB和191.0dB。     

石英压电晶体在霍普金森压杆实验中的应用

 利用传统分离式霍普金森压杆（SHPB）对低密度、低波阻材料进行测试时,存在透射信号弱、试样在加载时间内难以达到受力变形均匀的不足。采用嵌入压电石英晶体技术测试微弱的透射信号,并监测试样两端应力平衡。实验测试了一种低密度聚氨酯泡沫,结果表明嵌入压电石英晶体技术可以大幅提高透射信号的幅值和信噪比,所测试的材料在应变率范围1 000~4 000 s^-1内应变率效应不明显。     

超声换能器辐射特性的优化*

匹配层和背衬层是换能器的重要组成部分,对换能器特性有重要影响。针对发射型换能器,基于有/无匹配层和空气/树脂背衬两种条件组合,该文研究了匹配层与背衬层对换能器辐射特性的影响。结果表明,负载材料为水时,空气背衬换能器相较于树脂背衬换能器声能辐射效率更高;匹配层可以提高换能器的主瓣能量,抑制旁瓣能量及旁瓣数量。因此,针对发射型换能器的设计,背衬材料的选择应遵循与压电材料的阻抗差异越大越优的原则;匹配层的合理设计不仅可以提高超声换能器的声能辐射效率,还可以提高主瓣旁瓣峰值比,使声能更集中。