1-3型压电复合材料非均匀振动换能器的研究

通过调整1－3型压电复合材料换能器中压电相的分布，可以控制换能器辐射面上振动幅度和相位的分布，从而获得具有特殊性能的声场．作为辐射源表面振动速度等相位不等幅和等幅不等相位的两种典型情况，本文对边线高斯型换能器和Wesnel聚焦换能器进行了实验研究，讨论了其声场特性．     

声源分布和超声频率对清洗声场均匀性的优化*

驻波和换能器指向性等影响声场均匀性,造成清洗死角,影响清洗效果。采用COMSOL仿真软件建立了单个换能器位于底部的三维模型,通过染色法实验结果验证模型的有效性。研究了换能器同时位于底部和侧面、多排换能器位于底部时的声场,用声压幅值相对标准差来量化均匀性,发现该两种换能器分布方式能够有效优化声场均匀性。通过调节频率研究频率对声场的影响,进一步优化声场均匀性。对声源分布的确定、频率的选择以满足声场均匀化需求有指导意义。     

基于一维声栅共振场的大规模微粒并行排列的实验研究

声操控微粒技术可以非接触无损伤地控制声场中的物体运动,其在精密制造、材料工程、体外诊断等领域具有广阔的应用前景.传统声操控微粒技术一般采用自由声场,如利用单个换能器或阵列换能器产生的聚焦声场、行波场或驻波场等.然而,一般单个换能器产生的声场仅能操控单个微粒;而阵列换能器的驱动系统复杂,导致操控器件成本高昂且难以微型化;因此,亟需研究新的声场形态实现多样性微粒操控.本工作中,采用单个换能器产生的平面波激发一维声栅的共振声场,实验实现了大规模泡沫微球的周期排列操控.其操控机制是由于声栅狭缝中法布里-珀罗谐振声场与声栅表面周期衍射场共振耦合,在声栅表面形成周期分布的局域梯度声场,导致微粒在平行于声栅表面受到声捕获力,在垂直于声栅表面受到指向表面的声吸引力,实现了微粒周期排列在声栅表面上.该工作为利用超声在空气中大规模排列微粒提供了理论基础和技术支持.     

一种新型高斯超声换能器

本文提供一种高斯超声换能器的设计.可以利用它产生任意束宽的高斯型声场.这种设计采用曲面背电极,而不是通常的平面电极.用激光干涉拾振技术对换能器表面的振动分布进行测量.测量结果与设计理论良好吻合.     

1-3型压电复合材料非均匀振动换能器的研究

通过调整１－３型压电复合材料换能器中压电相的分布，可以控制换能器辐射面上振动幅度和相位的分布，从而获得具有特殊性能的声场。     

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.     

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模犁无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场.利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势.     

矩形板高阶模式超声振动辐射器的研究

在耦合振动理论以及矩形截面细棒弯曲振动的基础上,本文对矩形薄板的弯曲振动进行了研究,推出了自由边界矩形薄板的弯曲振动频率方程,研究了薄板的振动模式及其与共振频率的关系.实验表明,矩形薄板弯曲振动共振频率的测量值与计算值符合很好.用共振式矩形薄板作为超声清洗等液体中超声应用技术的声波辐射器具有声场分布均匀,换能器频率调节容易,声波辐射面大等优点,是一种很有前途的新型超声源.     

纵振驱动球面弯曲振动超声聚焦系统的聚焦特性*

为了将超声聚焦效应应用于工业加工中的冷却技术中,该文提出一种由夹心式换能器纵向振动驱动球面弯曲振动超声聚焦系统。基于基尔霍夫-亥姆霍兹声场理论分析了由换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动组成的复合超声振动条件下的声场聚焦特性,并通过实验进行验证。研究结果表明,该聚焦系统具有显著的聚焦特性,球面弯曲振动将声能汇聚在声场焦区;当声场相位相同时,换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动产生的声场在焦区发生叠加,可以进一步提高焦区声压;减小换能器中心面半径和球面曲率半径、增加球面开口半径可以增强复合超声振动的聚焦效果。     

圆锥面PVDF聚焦换能器的非线性声场理论及实验研究

圆锥面聚焦换能器可在超声成像中获得较好径向分辨率的同时提高探测深度.利用高斯声源函数叠加法来近似表示圆锥面聚焦声源的分布函数，结合近轴近似的KZK方程，得到了圆锥面聚焦换能器在损耗媒质中产生的基波、二次谐波声场的解析解.在实验上制作了PVDF圆锥面聚焦换能器，测量了圆锥面聚焦换能器的基波及二次谐波声场，实验结果和理论计算相符.     

光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。     

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).     

共聚焦超声换能器的声场优化与粒子捕获

超声悬浮被广泛应用于多个领域,目前主要有驻波式和相控阵式悬浮系统.基于共焦点排列的聚焦换能器结构,本研究提出了一种单边式超声悬浮系统.其基本原理是利用反相激励成对聚焦换能器在空间构建具有势阱结构的特定声场,实现微粒的捕获与悬浮.针对4个共焦点排列的聚焦换能器,基于有限元仿真研究了换能器轴夹角及激励相位模式对声场分布的影响;利用实验演示了系统的粒子捕获效果,验证了其势阱分布情况.结果表明,换能器轴线与结构中轴线夹角为45°时,势阱强度最高;换能器的激励相位分别为0,0,π,π时,声场中存在1处主势阱、2处次级势阱,可以捕获3处粒子团;换能器的激励相位分别为0,π/2,π,3π/2时,声场中仅存在1处势阱,只可捕获1处粒子团.该系统具有成本低、自由度高、稳定性强、操作便捷的优点,且能够实现单个位置或多个位置粒子团的捕获与悬浮,可以用于流体中高密度物体操控.     

Janus-Helmholtz换能器的弱辐射耦合机理与带宽特性

针对Janus-Helmholtz(JH)换能器频带内响应起伏较大、模态耦合机制尚不明确的问题,提出了振动模态声辐射独立建模方法.该方法建立换能器各个振动模的独立有限元模型,在仿真计算中将位移载荷直接加载在辐射面上,分析振动模的辐射声场.通过各个结果的对比分析,观察到JH换能器声辐射模态的弱耦合规律,最终给出JH换能器...     

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。      

声辐射问题中的模态分析:Ⅲ.声场重构

声辐射模态是定义在振动表面上的一组互相独立的基函数,描绘了振动表面的多极子辐射模式。声场分布模态是定义在声场中的一组互相独立的基函数,描绘了多极子辐射的声场分布模式。振动表面的声辐射可以唯地用声辐射模态和声场分布模态展开表示。对于声场重构,关键问题就是确定展开系数。在声场中选择N个测量点,测量声场的有关声学信息,求斛展开系数,从而重构整个声场。针对平板辐射和球形声源辐射的声场进行重构,数值计算的结果与理论分析结果一致。     

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.     

在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用

针对在线车轮超声检测系统的工程应用,研究了圆形螺旋线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场.给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了圆形螺旋线圈换能器在钢试块上的辐射指向性.结果表明,辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解圆形螺旋线圈换能器的辐射声场和在重载货车车轮轮辋在线辋裂缺陷...     

1-3型二维柱形凹面线聚焦换能器声场特性

设计并研制了柱面结构的1-3型复合材料凹面线聚焦换能器,在提高换能器带宽的同时,可以实现声场的线聚焦。将换能器内部PZT柱作为独立声源,应用瑞利积分和叠加原理,推导出了柱形凹面换能器总声场的理论表达式。通过仿真计算分析了换能器在聚焦线上的声场特点以及相关参数对聚焦性能的影响。对换能器参数做出合理设计,使换能器在实现线聚焦的同时,声场在聚焦线上的起伏较小,从而设计并制作出聚焦性能良好的线聚焦凹面换能器探头。实验测试结果表明采用本文方法计算得到的换能器声场与实测的声场分布基本符合,柱形凹面换能器在其几何焦点附近范围内均可实现聚焦,并在侧向上形成清晰的聚焦线,其聚焦线长度为换能器的侧向结构长度,在聚焦线上声场分布起伏较小。      

跑道线圈换能器在铁路重载货车探伤中的应用*

针对在线车轮超声探伤系统的工程应用,研究了跑道线圈电磁超声换能器由洛伦兹力换能机制在钢中产生的辐射声场。根据外磁场和线圈配置,将表面力源近似为非均匀的水平剪切力源,数值计算得到了此力源的辐射声场指向性图,并与实验结果进行比对,结果表明辐射的水平偏振横波具有中间强两侧弱的指向性,对理解跑道形电磁线圈超声换能器的辐射声场和在重载货车车轮辋裂缺陷探伤中的工程应用具有一定的指导意义。