管柱型近周期声子晶体点缺陷结构的大尺寸压电超声换能器

大尺寸压电超声换能器的耦合振动会导致其辐射面纵向位移振幅的平均值较小,振幅分布不均匀,严重影响系统的性能和可靠性.为了改善大尺寸超声振动系统性能,可利用二维孔/槽型近周期声子晶体结构对横向振动进行抑制,但在对横向振动抑制的同时,该结构会对换能器机械强度和工作带宽等性能参数造成不利的影响.针对这一问题,本文提出利用管柱型近周期声子晶体点缺陷结构对大尺寸夹心式纵振压电陶瓷换能器进行优化的新思路.该方法不仅可以利用构造的固/气二维近周期声子晶体结构的点缺陷模式,获得极低的能量损耗,有效提高系统辐射面的纵向位移振幅和振幅分布均匀度;也可以利用管柱结构中的双环形孔增强声波的多重散射,使得换能器在管柱柱高较低的条件下产生禁带,在有效抑制横向振动的同时,大幅拓宽换能器系统的工作带宽,增强系统的稳定性和机械强度,降低加工成本.仿真结果证明了优化的有效性.     

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。     

非线性工作状态压电换能器匹配技术

针对压电换能器在大功率下存在复杂非线性而导致匹配参数难以优化的问题,以大功率超声金属焊接为例,通过采集测试焊接过程换能器两端电压的幅值与频率,建立换能器反谐振电阻与驱动电压有效值、频率之间的数学模型;提出基于反谐振电阻模型的最优功率匹配方法,推导了匹配电感电容的计算公式。最后实验验证了数学模型的准确性,且当换能器输入功率在最优功率附近时,匹配网络电能传输效率最高。     

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。      

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

介质密度对谐振腔声压的影响

基于热声效应的磁致伸缩换能器热声制冷机,其内部的介质密度对于制冷效率的提高有重要作用。选用改变基础声压来控制谐振腔内介质密度的大小,选取了基础声压0.2—1.0 MPa之间,每0.2 MPa作为间隔,对五种基础声压下1 000—8 000 Hz不同激励下用有限元仿真软件ATILA进行仿真分析,得到趋势是呈现增大的,而且最大值在基础声压和激励频率最大值处,达到了359.97 Pa;在基础压力为0.6 MPa、激励频率为2 000 Hz的条件下谐振腔同时满足驻波形态和高声压。并对整机的模型进行激励频率-辐射板位移输出分析,得到在激励频率为9 000 Hz时,辐射板输出位移最大。随着介质密度的增加,热声制冷机内谐振腔内的驻波形态并没有因此而增加,存在一个同时满足驻波状态和高声压的状态。     

空气耦合电容式微超声换能器设计

建立了空气耦合电容式微超声换能器(CMUT)的理论方法,分析CMUT各个结构参数对其性能参数的影响。根据理论分析结果结合无损检测应用背景设计了一个由16个阵元构成的CMUT阵列,并采用SOI晶圆键合工艺制作。该阵列每个阵元包含16个圆形CMUT敏感单元,敏感单元的半径400μm,中心频率230 kHz。建立CMUT发射和接收瞬态仿真模型分别得到CMUT发射声压和接收灵敏度与激励电压的关系,并通过实验测试验证该仿真模型的准确性。最后通过实验对CMUT与商用压电空耦超声换能器的性能进行对比,实验结果表明CMUT的发射声压和接收灵敏度与商用换能器达到相同数量级,并且能够成功激发和接收铝合金板中A_0模态Lamb波。      

应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

格子玻尔兹曼方法对不同张角聚焦声束的建模

高强度聚焦超声(HIFU)是一种新型的无创治疗肿瘤新技术,其中换能器声场数值计算能够为HIFU治疗提供重要的依据。传统非线性KZK和SBE模型广泛应用于换能器声场数值计算,但依然存在某些不足。我们采用一种介观尺度的新型流体力学方法,即格子Boltzmann方法(LBM),基于2维9离散速度(D2Q9)格子构建了轴对称多弛豫参数LBM模型,并通过调节弛豫参数分析其对模型的影响;利用该模型对两个具有不同张角的球面聚焦换能器的声场进行数值模拟,并与KZK和SBE模型的计算结果进行比较。结果表明LBM模型能够很好地描述超声波的激发和传播机制,从流体力学的角度描述聚焦声场的分布,具有清晰的物理意义,且计算过程不受换能器张角的限制,在换能器声场的理论分析和模拟计算及其在HIFU治疗中的应用有着积极的意义。      

超声探头的响应特性及暂态回波模型

建立检测系统的数学模型,可以更好地理解超声检测的物理本质。分析了超声波从产生、介质中传播、缺陷耦合以及接收的全过程,将缺陷回波表示为探头响应函数与缺陷响应的时域卷积。利用空间脉冲响应和基尔霍夫近似建立了超声波与平面型缺陷的耦合模型,用大平面试块底面回波和大平面响应进行反卷积求得了探头的响应函数,并详细分析了探头在不同偏置位置时不同大小缺陷响应的特点,发现缺陷回波由直达回波和边缘回波组成,直达回波和边缘回波极性相反,且直达回波的幅值远远大于边缘回波。