用锁相环电路跟踪压电换能器并联谐振频率区

本在介绍用PLL（Phase-Locked Loop锁相环）电路进行频率跟踪的原理和实质的基础上,给出一种够跟踪压电换能器并联频率fP区间的具体电路,并通过实验研究了匹配电感和负载等对电路跟踪性能的影响,结果表明,这个电路具有很好的频跟踪和功率自动调节性能。     

基于压电换能器谐振网络幅频特性的频率跟踪技术

本文分析了压电换能器谐振网络的幅频特性,介绍了利用该特性进行频率跟踪的实现方法,并对眼科白内障超声乳化仪中的超声手柄进行了频率跟踪实验。实验研究表明利用谐振网络的幅频特性,对超声振动系统进行频率跟踪是一种简单、有效、可行的方案。     

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。     

夹心式压电换能器的谐振频率跟踪方案设计

分析了夹心式压电换能器的阻抗特性,讨论了基于相位方式的现有跟踪方案的不足,提出了一种新的频率跟踪方案,介绍了实现该方案的电路系统。该方案的特点是:采用先扫频后跟踪的策略,解决了频率范围设定难的问题;增加解锁控制,使得系统在死锁或误跟踪时自动回到频率搜索状态;采用直接数字合成器(DDS)作为频率调整和信号产生的器件,实现了全数字系统,调整方便,精度高;采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)做相位比较和DDS控制,使频率跟踪速度快,并且跟踪精度和速度均可控制。     

基于ZnO压电薄膜的弯曲振动硅微压电超声换能器的研究

对所研制的硅微压电超声换能器（PMUT）的振动特性进行了研究分析。对硅微压电超声换能的振动膜薄板的厚度相对于薄板的尺度（边长）而言较薄的情况,理论分析与实验结果均表明残余应力对换能器的谐振频率影响较大:不考虑残余应力的理论分析得出的换能器谐振频率与器件的实验测量的结果相差较大,而考虑残余应力的分析给出的谐振频率结果与实验结果是符合的。本文还对所制作的硅微压电超声换能器的谐振频率及导纳进行测量,并给出其等效电路参数。其中振动膜边长为1mm的换能器的谐振频率为71.25 kHz。最后对其进行了简单接收发射实验,测得谐振频率处的接收灵敏度为-201.6 dB（ref 1 V/μPa）,发射电压响应约为137 dB（ref 1 μPa·m/V）。     

一种直接测量压电换能器串联谐振频率和并联谐振频率的新方法

本文提出了一种利用补偿原理直接测量压电换能器串联谐振频率fs和并联谐振频率fP的新方法一补偿法。在这种方法测量原理的基础上，进行了实际测量，并设计了一种实用的测量电路。采用此方法测量的测量结果与电桥法的结果相符得很好。     

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。     

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。     

PVDF压电薄膜超声换能器的初步实验

本工作对国产PVDF压电薄膜制成的超声换能器进行了初步实验.结果表明,PVDF压电薄膜换能器具有良好的接收响应.与PZT压电陶瓷换能器比较,其结构简单、制作方便以及能得到宽而平坦的通带特性,但灵敏度低.实验初步表明,国产PVDF压电薄膜巳达到了实用水平.     

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。     

Estimation of frequency characteristics of the Tonpilz piezoelectric transducer with a bending piezoelectric disk

A Tonpilz piezoelectric transducer which has a bending piezoelectric disk on the radiation surface for widening the frequency band to improve sonar detection performance in shallow water has been proposed. Variance of transmitting voltage response of this transducer depend on the phase difference between signals which applies to the ring-stack and the bending-disk piezoelectric resonators. Thus, an estimation of an optimal phase difference, which can be applied for obtaining the maximum value of transmitting voltage response, is important factor to assemble sonar array with sonar transducers. In this paper, we applied three methods to estimate transmitting voltage response at an arbitrary phase difference from a few measurements, and the estimation errors of those methods affected by internal impedances of power sources and/or noise are investigated to select the best method. The effectiveness of the best method was verified by water-pool experiments.     

PSPICE controlled-source models of analogous circuit for Langevin type piezoelectric transducer

The design and construction of wide-band and high efficiency acoustical projector has long been considered an art beyond the capabilities of many smaller groups. Langevin type piezoelectric transducers have been the most candidate of sonar array system applied in underwater communication. The transducers are fabricated, by bolting head mass and tail mass on both ends of stacked piezoelectric ceramic, to satisfy the multiple, conflicting design for high power transmitting capability. The aim of this research is to study the characteristics of Langevin type piezoelectric transducer that depend on different metal loading. First, the Mason equivalent circuit is used to model the segmented piezoelectric ceramic, then, the impedance network of tail and head masses is deduced by the Newton's theory. To obtain the optimal solution to a specific design formulation, PSPICE controlled-source programming techniques can be applied. A valid example of the application of PSPICE models for Langevin type transducer analysis is presented and the simulation results are in good agreement with the experimental measurements.     

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。     

Determination of displacement with a piezoelectric transducer using phase-shift algorithms

This investigation accurately measures the relationship between applied voltage and the displacement of a piezoelectric transducer device both by analyzing phase shifting interferometry algorithms and using a Twyman-Green interferometer. Simulations are performed to calculate unknown phase shifts, especially around π/2 and 3π/2. It is indicated that the Hariharan algorithm is indeed an effective phase shifting interferometry algorithm.     

矩形辐射器压电多频超声换能器的研究

研究了一种具有多个共振频率的矩形辐射器夹心式超声换能器,换能器由圆柱形后盖板、压电陶瓷晶堆及矩形六面体辐射器前盖板组合而成。利用表观弹性法和一维近似理论给出了多频换能器横向及纵向理论共振频率方程。对一种特殊情况下的此类换能器进行了有限元及实验分析,给出了各自的频率输入导纳曲线。对理论和实验结果进行分析后表明,此类矩形辐射器夹心式超声换能器可以在不同的振动模态上工作,具有多个共振频率.     

有源介观LC电路的量子涨落

本文利用含时微扰论,研究了电源幅值较小时介观LC电路中电荷与电流的量子涨落。在确定的温度下,系统将处在混合态,进一步得到有限温度下含源介观LC电路的量子涨落。研究表明有源介观LC电路的量子涨落不仅与电路参数有关,还与时间和温度有关。     

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。     

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。     

Equivalent circuit with complex physical constants and equivalent-parameters-expressed dissipation factors of piezoelectric materials

The equivalent circuit with complex physical constants for a piezoelectric ceramic in thickness mode is established. In the equivalent circuit, electric components (equivalent circuit parameters) are connected to real and imaginary parts of complex physical coefficients of piezoelectric materials. Based on definitions of dissipation factors, three of them (dielectric, elastic and piezoelectric dissipation factors) are represented by equivalent circuit parameters. Since the equivalent circuit parameters are detectable, the dissipation factors can be easily obtained. In the experiments, the temperature and the stress responses of the three dissipation factors are measured.