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。      

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。      

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。     

径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动

提出了一种圆管式径向复合压电陶瓷换能器,并对其径向振动特性进行了分析。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆管以及金属外圆管组成。利用解析法得出了金属圆管以及具有任意壁厚的径向极化压电陶瓷圆管径向振动的机电等效电路。基于金属圆管与压电圆管的机械边界条件,得出了换能器的六端机电等效电路。在此基础上得出了换能器共振及反共振频率方程的解析表达式,给出了换能器的共振及反共振频率与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法对换能器的径向振动特性进行了模拟及仿真,并与解析结果进行了比较。最后,设计并加工了一些径向复合管式压电陶瓷换能器,利用精密阻抗分析仪对其共振及反共振频率进行了实验测试。研究结果表明,利用解析理论得出的换能器共振及反共振频率与数值模拟结果以及实验测试结果符合很好。      

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。     

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。     

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.     

幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路

基于机电类比原理和变厚度薄圆环的平面应力方程,推导了幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路、共振频率方程和位移放大系数。讨论了第一、二阶径向共振频率及相应的位移放大系数随圆环半径比的变化关系。结果表明,幂函数型环形聚能器径向振动的等效电路是一种非互易二端口等效网络;一阶和二阶共振频率随圆环内外半径比的增大而增大;一阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大先降低后升高,二阶径向共振模式下位移放大系数随圆环半径比的增大而降低,但二阶时的位移放大系数整体大于一阶,因此二阶径向共振模式具有更好的径向振动性能。用COMSOL有限元软件对解析理论分析结果进行了验证,仿真模拟结果与解析理论符合良好。根据幂函数型环形聚能器的等效电路模型,进一步设计了一种压电环形换能器,计算了第一、二阶径向共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数,通过与COMSOL有限元软件模拟结果对比,符合良好。本文研究结果为幂函数型环形聚能器及压电环形换能器的工程应用提供了简明设计理论,文中研究结论可作为一种径向超声切割刀在超声工程中获得重要应用。      

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。      

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。     

基于传输矩阵法的任意变厚度环型压电超声换能器

变厚度环型径向振动压电超声换能器可以实现阻抗变换、能量集中,具有辐射面积大、全指向性等优点,在功率超声、水声等领域被广泛应用.由于求解复杂变厚度金属圆环径向振动的波动方程比较困难,本文使用传输矩阵法将变厚度金属圆环的径向振动转化为N个等厚度金属圆环径向振动的叠加,得到了任意变厚度金属薄圆环径向振动的等效电路图、共振频率方程和位移放大系数表达式,分析了锥型、幂函数型、指数型、悬链线型金属圆环的位移放大系数与几何尺寸的关系.在此基础上,推导了由任意变厚度金属圆环和等厚度压电圆环复合而成的压电超声换能器径向振动的等效电路和共振频率方程.为了验证理论结果的正确性,使用有限元软件进行仿真,所得一阶、二阶的共振频率和位移放大系数的数值解与理论解符合较好.本研究给出了任意变厚度金属圆环径向振动的普适解,为设计和优化径向压电超声换能器提供了理论指导.     

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。     

钹型换能器的优化设计*

本文研究的钹型换能器,是由一个压电陶瓷圆环和一个金属浅球壳组成。为了得到这种钹型换能器的解析解和它在不同介质中的机电性能。首先,根据前人得出的压电陶瓷圆环和金属浅球壳的理论模型,用等效电路法从理论上计算出了该换能器的共振频率并与仿真结果做了对比,发现二者近似吻合,验证了理论计算的可靠性,为这种钹型换能器的优化设计提供了理论指导。然后利用COMSOL Multiphysics分别模拟了压电陶瓷为圆盘和圆环的钹型换能器的共振频率,仿真结果表明：同等条件下,当圆环的外径和圆盘的半径相等时,压电陶瓷为圆环的钹型换能器共振频率更低,使其具有频率低、体积小的特点更加明显。利用数值方法,分析了钹型换能器的几何尺寸对其共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数的影响。最后模拟了钹型换能器在水中的机电特性及声压分布。     

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...     

一种非均匀厚度压电复合材料片宽带换能器的实验研究

本文利用１－３压电复合材料作为换能元件，通过特殊工艺制备成一面是平面，一面是球面的非均匀厚度压电振子，这种压电晶片加上激励电压后，不同厚度处以不同的共振频率振动，从而使压电晶片的振动频带加宽，本文介绍了这种压电晶片的机电特性，以及用这种压电晶片制成的宽带聚焦超声换能器的脉冲回波特性，此外，文中还对这种换能器与均匀厚度压电晶片换能器的脉冲回波特性进行了比较。     

狭缝式环形超声聚能器的径向振动特性

对一种狭缝式环形超声聚能器的径向振动特性进行了研究。基于机电类比原理,通过引入面积比系数,推出了聚能器的径向振动机电等效电路及频率方程;得出了其径向位移振幅放大系数表达式。通过数值计算,探讨了聚能器第1、2阶径向共振频率及振幅放大系数与其半径比的关系;分析了狭缝长度、角度及数目对聚能器振幅放大系数及共振频率的影响,并进行了有限元仿真。研究表明,聚能器的振幅放大系数随其半径比的变化存在极大值,并随狭缝数量、长度及宽度增加而增大;而其径向共振频率则随三者的增加而减小,理论与有限元仿真及实验结果符合较好。      

复合圆环弯曲振动四极子模态分析

针对压电圆环弯曲振动机电转换性能较差的问题,提出了一种复合圆环弯曲振动换能器,它由一个径向极化的压电陶瓷内圆环和一个金属外圆环复合而成。基于能量原理推导得到了复合圆环弯曲振动的谐振频率和有效机电耦合系数,探讨了弯曲振动四极子模态特性与其结构尺寸间的关系。当压电圆环尺寸不变时,随外侧金属圆环壁厚增加,复合圆环弯曲振动四极子模态谐振频率上升,有效机电耦合系数迅速上升到极大值后缓慢下降。最后,设计制作了圆环换能器并对其谐振频率和有效机电耦合系数进行了实验测试,测试结果与解析结果和数值模拟结果吻合得较好。      

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。      

压电陶瓷非线性对大功率换能器结构参数匹配影响的计算分析

在Guyomar非线性模型基础上,通过机电等效法将晶堆前向负载作为等效质量和阻尼加入振动方程的质量项和阻尼项,推导了换能器振速、辐射声压级和谐振频率偏移率等表达式,计算分析了压电陶瓷非线性参数和结构参数对换能器声辐射性能的影响,研究了压电陶瓷的非线性对换能器结构参数匹配的影响。结果表明,换能器节面靠前,前盖板厚度越小,前盖板大径越小,都可以减少压电陶瓷非线性引起的换能器频率偏移。当设计频率确定时,压电陶瓷处于非线性工作域的换能器的结构参数有所减小。换能器加入辐射端匹配后,可以改善压电晶堆前向负载匹配,降低换能器的谐振频率偏移率。换能器激励电流也会出现频率偏移现象。在提高换能器激励电压时,换能器的结构参数应适当减小。得到的结论可为换能器设计提供理论依据和帮助。