双壳嵌套鱼唇式弯张换能器

研究了一种双壳嵌套鱼唇式弯张换能器,针对特殊结构的空气背衬弯张换能器提出了表征换能器静压形变的系列参数,利用有限元方法研究了这些参数与结构参数的对应关系,并进行了换能器的静态分析。在静态分析基础上,研究了结构参数对换能器声辐射特性的影响,经对比分析得到换能器的优化方案,研制了实验样机,经外场试验验证了双壳嵌套鱼唇式弯张换能器具有小尺寸、频率低、高效率、大功率的工作特性:谐振频率800 Hz、最大声源级199.5 dB、电声效率23.6%、工作深度200 m。      

铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器

针对深水、低频、宽带换能器的技术需求,结合Janus-Helmholtz换能器的结构特点和铁镓单晶材料低场应变大及机械强度高的特性,提出了铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器设计方案。采用永磁偏磁场和环形闭合磁路,建立了一系列铁镓单晶磁致伸缩换能器理论分析模型,包括对磁致伸缩材料参数进行线性化处理,设计了换能器最佳工作点,结合静态磁场和动态磁场分布情况分段细化换能器驱动等效参数,以及利用全阻抗模型通过电感损耗等效计算换能器静态阻抗,然后通过二维有限元分析等效模型,优化分析了换能器的结构参数与电声性能。最后制作了换能器样机,并进行了测试与分析。对比仿真和测试结果表明:全阻抗模型得到的阻抗曲线与样机测试结果相一致,有限元等效模型计算的发送电流响应与样机测试结果良好吻合。换能器样机水中谐振基频为1000 Hz,谐振频率下发送电流响应176.4 dB;在875～2300 Hz频率范围内,发送电流响应起伏不大于6 dB;增加驱动电流有效值到16.2 A,最大声源级可以达到196.2 dB。     

叠合结构超低频弯张换能器

研究了一种将多个椭圆弯张壳体在短轴方向进行机械叠合的超低频弯张换能器,每个弯张壳体采用超磁致伸缩材料进行驱动。推导了多个叠合壳体的等效电路,利用支路阻抗方法得到了换能器频率和阻抗的方程表达式。针对多个壳体叠合的结构复杂性,采用有限元方法计算并分析了叠合壳体换能器的多个结构点的振动位移分布,通过平动位移分布设计了活塞辐射面的结构参数。将有限元方法计算的换能器在空气中和水中的谐振频率与等效电路法计算的结果进行了对比,符合较好。研制了6个壳体叠合的超低频弯张换能器样机,换能器外形尺寸为Φ230×630 mm,重量为39 kg。换能器经湖上试验,水中谐振频率130 Hz,最大发送电流响应161.1 dB,最大发射声源级为180.4 dB,实现了超低频、小尺寸的发射能力。      

单侧外部驱动弯张换能器

本文设计、制作了一种单侧外部驱动的弯张换能器，并利用有限元分析软件ANSYS构建了有限元模型，对换能器的电声参数进行了预测，计算结果与实验结果吻合较好。实验测得换能器的最大发射电压响应级为142dB，如果将发射电压加到1200V，换能器的最大声源级预计可达203dB。     

Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

提出了一种“鱼唇式”弯张换能器的设计方案,采用变高度椭圆壳体,这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用,并设计制作了Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器。理论分析和湖上实验结果表明,Ｔｅｆｅｎｏｌ－Ｄ“鱼唇式”弯张换能器,具有较低的谐振频率,水中约为 １．１ｋＨｚ左右;较宽的频带,－３ｄＢ带通 Ｑ值低于 ３;发射电流响应为 １８２ ｄＢ;采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度．     

水声换能器研究新进展

文章综述了几种典型结构水声换能器近些年的新发展,包括:弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等,主要介绍这些结构类型水声换能器的设计新思想和多方面优化改进的新成果。     

长轴加长型宽带弯张换能器

Ⅳ型弯张换能器的机械品质因数较高,带宽不宽.为改善其带宽性能,在椭圆管形弯张壳体的基础上,利用多模态耦合的原理,提出了一种长轴加长型弯张换能器.以新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅(PMNT)为驱动材料,利用有限元软件ANSYS对弯张换能器进行了设计分析并制作了换能器样机.测量得到在1.6～16 kHz的频率范围内,换能器的最大发送电压响应136 dB,响应起伏7.8 dB.理论分析与实验结果表明,与Ⅳ型弯张换能器相比,长轴加长型弯张换能器在保持频率低,响应高等优点的同时,显著拓宽了弯张换能器的带宽.     

弯张换能器装配预应力及入水后的变化

精确控制施加于驱动元件上的预应力，对换能器的设计及其工作过程都有重要意义，特别对于稀土磁致伸缩换能器来说，有助于发挥其最大潜能.利用有限元方法，计算了VII型水声弯张换能器壳体给驱动元件施加一定预应力时，壳体所需的装配位移的大小，并通过实验作了验证；弯张换能器随入水深度的不同， 驱动元件两端所受到的总的预应力是不同的.利用有限元方法，计算了换能器入水深度与预应力的关系.本文方法可适合于其他任何类型的换能器. 关键词： 弯张换能器 装配位移 预应力 入水深度     

变张换能器的等效电路支路阻抗分析方法

本文提出了适用于弯张换能器的等效电路支路阻抗分析方法,归纳总结了一些描述IV型弯张换能器振动辐射的特性参量,通过支路阻抗分析方法计算这些特性参量可以进行换能器局部结构的优化设计.     

弯张换能器的等效电路支路阻抗分析方法

本文提出了适用于弯张换能器的等效电路支路阻抗分析方法,归纳总结了一些描述IV型弯张换能器振动辐射的特性参量,通过支路阻抗分析方法计算这些特性量可以进行换能器局部结构的优化设计。     

Helmet-size vessels of high-Tc oxide superconductor for magnetic shield

We have developed a very large magnetic shielding vessel made from high-T_c Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O superconductor and have experimentally confirmed that this vessel can reduce a weak magnetic field to -100 dB or 1/10⁵. The size of this vessel is 32 cm in diameter, 64 cm in depth and 2.5 cm in thickness. The shielding effect of the vessel does not decrease even at a low frequency like 0.2 Hz. The high attenuation ratio in the low frequency range indicates that magnetic shielding using a high-T_c superconductor is promising for neuromagnetic measurements with SQUID.     

The balanced electromagnetic separation transducer a new bone conduction transducer

Conventional bone conduction transducers, which are relatively large, suffer from poor performance at low frequencies. A new type of electro-dynamic transducer, the balanced electromagnetic separation transducer (BEST), was developed to improve the performance of the conventional transducers. By using a balanced suspension principle, the quadratic distortion forces, as well as the static forces between the vibrating parts, are principally counterbalanced. Both the distortion and the size of the transducer can therefore be considerably reduced. Moreover, the static and dynamic magnetic fluxes are separated, except in the air gap regions, giving a more efficient transducer. For example, in comparison with a conventional B71 transducer, a prototype of the BEST has: Lower total harmonic distortion (THD), by 20-25 dB, and improved sensitivity by 10-20 dB for 100 to 1000 Hz and by 2-10 dB for 1 to 10 kHz. From a clinical point of view, the BEST offers a chance to measure bone thresholds, at 250 and 500 Hz, which are reliable at hearing levels not possible before. For example, at 250 Hz the BEST has 23 dB higher sensitivity than the B71; the THD is improved from 61% (B71) to 3.3% (BEST) at 40 dB HL (ISO 389-3, 1994).     

Active control of the volume acquisition noise in functional magnetic resonance imaging: method and psychoacoustical evaluation.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides a noninvasive tool for observing correlates of neural activity in the brain while a subject listens to sound. However, intense acoustic noise is generated in the process of capturing MR images. This noise stimulates the auditory nervous system, limiting the dynamic range available for displaying stimulus-driven activity. The noise is potentially damaging to hearing and is distracting for the subject. In an active noise control (ANC) system, a reference sample of a noise is processed to form a sound which adds destructively with the noise at the listener's ear. We describe an implementation of ANC in the electromagnetically hostile and physically compact MRI scanning environment. First, a prototype system was evaluated psychoacoustically in the laboratory, using the electrical drive to a noise-generating loudspeaker as the reference. This system produced 10-20 dB of subjective noise-reduction between 250 Hz and 1 kHz, and smaller amounts at higher frequencies. The system was modified to operate in a real MR scanner where the reference was obtained by recording the acoustic scanner noise. Objective reduction by 30-40 dB of the most intense component in scanner noises was realized between 500 Hz and 3500 Hz, and subjective reduction of 12 dB and 5 dB in tests at frequencies of 600 Hz and at 1.9 kHz, respectively. Although the benefit of ANC is limited by transmission paths to the cochlea other than air-conduction routes from the auditory meatus, ANC achieves worthwhile attenuation even in the frequency range of maximum bone conduction (1.5-2 kHz). ANC should, therefore, be generally useful during auditory fMRI.     

Equivalent magnetic noise in magnetoelectric Metglas/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3‐PbTiO3 laminate composites

We have experimentally and theoretically investigated the equivalent magnetic noise in a magnetoelectric Metglas/ 0.7Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃‐0.3PbTiO₃ laminate sensor unit by considering the constituent noise sources of dielectric loss (N_DE) and DC leakage resistance (N_R). In the low frequency range (f = 1 Hz), theory predicts that N_R dominates the noise charge (1.6 times larger than N_DE), with a 1 Hz noise of 9.1\;{\rm pt}/\sqrt {\rm Hz}. The experimental equivalent magnetic noise was 10.8\;{\rm pt}/\sqrt {\rm Hz}. This observed value is slightly higher than the predicted one, which might be due to an oversimplification of the theoretical model in terms of electrical charge amplifier and external vibration noise sources. (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

基于光纤光栅的磁场测量新方法

提出了一种基于光纤光栅中法拉第效应和测量偏振相关损耗的直接测量磁场的新方法,给出了理论分析和实验结果.当有外加磁场时,光纤光栅中的法拉第效应使两个圆偏振光的传播常量改变,从而导致光纤光栅的偏振相关损耗的变化.仿真结果表明,外加磁场与偏振相关损耗峰值在一定的测量范围内存在线性关系,测量结果对温度变化不敏感.分析了光栅的参量对测量性能的影响.实验中得到该方案测量磁场的灵敏度为7.8e-6B/Gs,利用现有精度为10-6 dB的光矢量分析仪得到最小可测磁场为2 Gs.实验与理论吻合较好.     

一种基于十字镂空结构的低频超材料吸波体的设计与制备

设计了一种十字镂空的超材料结构,与传统的铁磁吸波材料相结合,实现了低频吸收频带的扩宽.仿真结果显示,吸波体在2-4 GHz范围可以实现-10 dB以下的吸收,相比于没有加载超材料的情况,吸收带宽扩展了0.5 GHz.实验结果在2.5-5.1 GHz范围内也显示了相似的吸收曲线,低于-9 dB的吸收频带有0.48 GHz的扩宽,扩展了23%.不同结构的能量损耗密度分布表明,相比于无镂空的十字结构,镂空十字结构可以增加磁场能量损耗,加强单元结构之间的耦合,降低超材料对传统吸波材料性能的破坏.探索了传统铁磁吸波材料厚度的变化对吸波体吸收性能的影响,发现由超材料引入的附加峰位置不随着吸波材料厚度的改变而明显地移动.根据这个结果,进一步设计了由两种超材料叠加组合而成的吸波体,仿真结果和实验结果均显示,在降低了1.1 mm铁磁吸波材料层厚度的情况下,使低频吸收带宽又扩展了0.9 GHz.     

基于磁光子晶体的低损耗窄带THz滤波器

本文提出一种采用石榴石型铁氧体磁性材料的太赫兹滤波器,利用波导线缺陷和腔内点缺陷的耦合特性,通过改变腔内介质柱半径及分布,实现对某个波长的耦合,达到了高效率滤波的功能;改变外磁场的大小,影响铁氧体材料的磁导率变化,使谐振频率发生改变,从而对THz波进行滤波.应用平面波展开法(PWM)和时域差分有限法(FDTD)进行仿真分析,研究结果表明,该滤波器其插入损耗为0.0997 d B,3 d B带宽为8.22 GHz,实现了低损耗窄带滤波.     

低场磁共振系统的低噪声前置放大器研究设计

噪声前置放大器是磁共振射频接收子系统中的重要组件,它的性能优劣直接决定了最终磁共振图像的好坏.目前市场上的低噪声前置放大器大多基于中高场磁共振系统开发,而针对低场磁共振系统的很少;另外,商用低场磁共振系统的低噪声前置放大器价格相对较贵,并且多采用两级放大结构,结构复杂、调试难度大、成本相对较高.在此背景下,针对0.5 T低场磁共振设备利用Keysight公司的先进设计系统（ADS）软件对低噪声前置放大器进行研究设计,采用一级放大结构,探索电路设计与布局对放大器性能的影响.实测结果表明自主设计的低噪声前置放大器在21 MHz共振频率附近噪声系数为0.5 dB左右,增益达到了30 dB,能够满足低场磁共振应用的要求.     

基于磁通门和时域数字鉴频的磁场锁定系统

永磁型磁共振仪器的磁体易受温度和其他环境磁场干扰,造成主磁场波动,进而影响仪器测量的重复性和准确性.本文讨论了两种解决磁场波动的锁定方法：一方面,通过磁通门传感器对环境波动引起的瞬态磁场进行高灵敏探测,然后采用现场可编程门阵列进行实时处理并计算磁场补偿量;另一方面,针对环境温度变化引起的缓慢磁场偏移,则采用时域数字鉴频锁场方法,在对锁样品进行射频激发后,将磁共振信号通过混频变换到较低的频率范围,再转换为方波,然后直接送入现场可编程门阵列进行周期测量,并计算磁场补偿量.将两种方法获得的磁场补偿量叠加后,再转换为电流信号驱动安装在磁体上的B₀补偿线圈,并研制了一套磁场锁定系统,以实现对磁场的锁定. 在0.5 T食品快检磁共振分析仪上进行测试验证,结果显示当受到瞬态干扰时,可将磁场稳定在±4 Hz（对应磁场为±0.093 9 μT）范围内,同时也可以精准测量温度造成的磁场偏移,该结果验证了本文磁场锁定方法的可行性.