多匹配层空气耦合压电超声换能器*

该文针对超声无损检测与成像功能空气耦合换能器开展了分析计算和研制。为解决压电材料与空气间巨大的阻抗失配问题,进行了多匹配层设计,并基于有限元技术仿真设计了1-3压电复合材料参数。借助复数压电方程,导出考虑损耗的多匹配层压电复合材料换能器厚度振动等效电路,获得其等效导纳,以此计算电导谱,同时基于有限元技术数值计算相应电导谱,二者有较好的一致性。在此基础上分别设计制作复合压电材料,多匹配层材料以及由此构成的空气耦合超声换能器。换能器的实测电导谱与数值仿真结果一致。进一步的换能器回波信号测试及其谱分析结果表明,所研制的160 k Hz中心频率空气耦合换能器样品有较好灵敏度和带宽。这些结果说明,该文研制的空气耦合超声换能器的初样是成功的。     

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。     

耐γ辐射匹配层的制备及其在超声换能器的应用*

超声换能器是超声无损检测系统的核心器件。匹配层作为超声换能器的重要组成部分,能减小声阻抗失配造成的声能损失,提高换能器能量传输效率。传统超声换能器由于匹配层等有机材料在射线辐照条件下引起化学键断裂而失效,从而影响检测的准确性。为了研制高性能耐辐射超声换能器,本文选择具有良好耐辐射性能的双酚A型环氧树脂作为基体,氧化铝陶瓷粉末作为无机填料,制备了不同氧化铝含量的匹配层(0%～80%),研究了该系列匹配层样品经过γ射线辐照后的颜色、密度、声速、声阻抗和声衰减的变化情况。随着辐照剂量的增加(0～1000kGy),样品的颜色逐渐加深,密度几乎保持不变;声速,声阻抗和声衰减略有提高。基于该匹配层,研制了中心频率9MHz的超声换能器,换能器辐照前后信号变化不大,表明该系列匹配层在较大剂量辐照下仍然具有良好的声学性能,是较为优异的耐辐射匹配层材料,具有较好的应用前景。     

厚度模压电超声换能器无源声学材料研究进展*

厚度模压电超声换能器作为超声波发射、接收以及电信号间转换的载体,是超声成像与检测系统的核心器件,一般由压电层、匹配层和背衬层3部分组成。超声换能器的性能一定程度上决定着整体超声设备的性能,影响了其在工业、医学、军事等领域的应用。该换能器的关键性能指标(带宽、灵敏度)除了受到压电层的影响,还与匹配层、背衬层等无源声学材料的设计密切相关。该文综述了近年来厚度模压电超声换能器无源声学材料(匹配层、背衬层和声透镜)的研究进展,提出了当前该类材料面临的难题和解决途径,并对其未来发展方向进行了展望。     

单面接线的厚度模压电换能器

常规的厚度模压电陶瓷换能器需要在压电陶瓷片的两个大面上接线.但是前表面的接线对于小换能器(直径小于1mm)和阵列换能器不利.两面接线还不便于批量生产,也不便于和匹配层的耦合.D.E.Laughlin等人1985年曾制作了如图1所示的小换能器.这种换能器的背电极分割成两半,分别连接电源的两极.前表面的电极不连线,与常规换能器不同,这种换能器工作时压电片的两半作反相振动,一半伸张时,另一半压缩;一半压缩时,另一半伸张.实测表明,这种换能器的声场由两个独立的声束组成(图2).     

压电换能器数字模型软件包

最近美国NTR系统公司(NTR System Inc.,1902 North 34th Street,Seattle,WA 98103,USA)推出了一个压电换能器数字模型软件包,PiezoCAD。这个软件包用传输矩阵法计算换能器的整体特性。用户可以从软件包里的数据库选择压电材料的参数。这个数据库里有陶瓷、晶体、聚合物和复合材料的板、条、棒的大量参数。用户可以规定多层匹配层、多层背衬层和负载的特性。在电端可以规定各种电匹配网络,包括电阻、电容、电感、变压器和同轴电缆的串联、并联及各种组合。用T型网络表示的非理想变压器也包括在     

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。     

换能器辐射阻抗变化对匹配层参数的影响

匹配层换能器在实用中往往由于辐射阻抗的变化破坏了“最佳”匹配层参量的选取[1]。本文从反映阻抗概念给出了必要的匹配层厚度修正[2],并以实例计算证明了修正公式的实用意义。     

用锥状厚压电片换能器的测量

在工业无损评价(NDE)及医学超声成像中,为提高纵向分辨率,希望超声换能器具有窄脉冲宽频带的特性,为此,有人用高阻抗、高衰减材料做为压电晶体的背衬,用作匹配吸收体。也有人采用厚的压电晶体制做换能器,利用其远离共振频率的非谐振状态工作,但上述方法存在一些不足,如换能器径向模的振动,粘接层的影响等。作者提出了一解决问题的方法,即厚片锥状压电换能器,其工作在非共振状态,同时作用面积小。     

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。     

压电换能器的动态匹配

本文用合振荡的原理对太电换能器的匹配问题进行了分析，提出了一种关于匹配的新概念－动态匹配，强调了效率在匹配中的重要性。     

基于数字电感的压电换能器动态匹配的研究

本文用实验的方法叙述了压电换能器的静态夹持电容随温度变化的特性,以及引起匹配质量下降的问题。提出了一种关于匹配的新概念－数字电感动态匹配,使匹配电感跟随静态电容的变化,从而提高匹配质量,实验结果表明,这种动态匹配方法是行之有效的。     

换能器辐射阻抗变化对区配层参数的影响

匹配层换能器在实用中往往由于辐射阻抗的变化破坏了“最佳”匹配层参量的选取。本文从反映阻抗概念给出了必要的匹配层厚度修正，并以实例计算证明了修正公式的实用意义。     

一种拓宽匹配层换能器带宽的方法

本文介绍了一种拓宽匹配层换能器带宽的方法,通过单端激励以同时激发换能器的奇次和偶次谐波,以此来达到拓宽匹配层换能器带宽的目的。运用有限元软件ANSYS进行了建模分析计算,对其设计过程、测量结果作了分析介绍。样品换能器在10kHz～30kHz的频段内,发送电压响应起伏为±3.3dB。     

向空气中辐射超声波的环形压电换能器

超声压电换能器向空气中辐射超声波的主要缺点是效率低,这是由于压电材料的声阻抗与空气的声阻抗严重失配(差5个数量级)。有两种途径可提高换能器向空气中辐射声波的效率,一是采用多层结构的匹配技术,二是设计高、低声阻抗材料相组合的换能器。作者遵循后一种方法设计并制作了一种新的高效压电换能器。它是将压电圆环埋置在低阻抗的弹性材料(塑料或树脂)中而成的,如图1所示。     

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%。     

空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料匹配层空耦式压电换能器

研制了一种厚度模空耦式压电换能器,使用综合考虑材料衰减系数和声阻抗的空耦式压电换能器电力声等效电路理论模型以指导匹配层结构设计和材料选择,选用新型的空心聚合物微珠/环氧树脂复合材料作为声匹配材料,优化设计电阻抗匹配及结构参数。该换能器中心频率为510 kHz,-6 dB频域相对带宽为25.4%,插入损耗为-27 dB。结果表明,使用新型低衰减系数的闭孔复合材料单匹配层设计的该换能器不仅保证了高灵敏度,同时简化了换能器结构,为空耦式压电换能器研制提供了新思路。      

多基元聚焦空气耦合超声换能器*

文中针对空气耦合超声换能器及其在表面缺陷检测中的应用开展了研究。选用1-3型压电复合材料及双匹配层结构来实现超声换能器压电材料与空气之间声阻抗的逐渐过渡,提高压电材料/空气界面的声能量透射率进而提高空气耦合超声换能器的灵敏度。在此基础上研发制作了440 kHz多基元聚焦空气耦合超声换能器,并对其性能进行了测试。其焦距、焦宽及焦深分别为41.44 mm、1.14 mm和20.30 mm,灵敏度和带宽分别为-50 d B和20.2%。测试结果表明该空气耦合超声换能器具有优良的性能,利用该超声换能器可以有效检测材料表面缺陷。     

共形完全匹配层按层积分算法

基于共形完全匹配层(CPML)吸收边界,构造一种共形完全匹配层矢量单元按层积分算法,将多层单元积分运算叠加到一层单元中进行,用多层单元剖分,以一层单元计算矩阵元素,即保留了多层单元的几何和材料信息,又减少了单元数量和计算量.数值算例表明,这种按层积分CPML吸收效果好,计算量小,可靠,高效.     

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。