结构参数对偶极声波换能器谐振频率的影响

偶极横波远探测技术在我国复杂地质结的构油气勘探中具有十分广阔的应用前景。换能器的工作频率直接影响声波测井的探测深度。本文对正交偶极声波测井换能器弯曲模态的谐振频率进行了解析计算,并利用有限元方法研究了其结构参数对谐振频率的影响。计算结果表明:当压电陶瓷片的长度增加时,换能器一阶谐振频率先降低后升高,三阶谐振频率先升高再降低之后又上升;当金属基片厚度增加时,换能器一阶与三阶谐振频率均升高;当压电陶瓷片厚度增加时,换能器谐振频率的变化方向与幅度还与压电陶瓷片长度等其他参数相关,有可能升高或降低。     

外接LC电路的可调压电换能器的频率特性

压电换能器往往因受到温度与负载的影响,导致其谐振频率、反谐振频率和机械品质因数等特征参数发生变化。通过在压电换能器中设计用于调节的压电陶瓷片,并在调节压电陶瓷片两端外接电负载,可以实现压电换能器的频率调节,修正由于温度和负载导致的频率漂移。基于压电换能器的Mason等效电路,建立外接LC调节电路的压电换能器的谐振频率、反谐振频率模型,分析LC调节电路中调节电感对频率调节特性的影响;通过实验研究外接LC调节电路对可调压电换能器机械品质因数的影响,并验证调节电感对频率调节特性的影响。理论分析和实验研究的结果表明:随着调节电感的增大,调节电容对频率的调节灵敏度提高,可调压电换能器的频率调节宽度拓宽,但也会使压电换能器的机械品质因数降低。合理选择调节电感和调节电容能兼顾频率调节宽度和机械品质因数的要求。此研究可为后续自适应压电换能器的频率调节系统设计提供指导。     

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。     

高频宽带嵌套式复合材料换能器

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310 kHz,最大发送电压响应为188.5 dB,-3 d B带宽可达130 kHz,接收灵敏度最大可达-186.8 dB,-3 dB带宽可达90 kHz,谐振频率处-3 d B的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

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）。     

可调频率压电换能器原理

最近,我们曾研究电负载对压电振动系统振动特性的影响^[1,2]。随着电负载的连续变化,通过压电效应,压电振动系统的谐振频率也连续地改变。由此引伸,可以实现可调频率压电换能器,本文将对其原理进行研讨。
我们将对压电夹心换能器进行这种调节频率的理论分析,并对一种纵向加电场,纵向振动的夹心换能器进行实验比较。理论与实验结果一致表明,用有效耦合系数K_eff来衡量,该换能器可以在一个半倍频程的范围内有效地工作。
这里提出的可调频率压电换能器,由于是改变电负载,通过压电耦合来实现换能器的频率调节的,因此它还具有方便、连续和瞬时可调的特点。     

磁致伸缩-压电联合激励凹筒型发射换能器

设计制作了一种新型磁致伸缩-压电联合激励凹筒型发射换能器,采用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为联合激励元件,模拟计算与实测结果均表明,与采用单一振子激励的凹筒型发射换能器相比,此种新型换能器在保持尺寸小、频率低等优点的同时,显著拓宽了工作频带并提高了辐射声功率.换能器外型尺寸为φ88 mm×316 mm,水中谐振频率1.30 kHz,-3 dB带通Q值1.43,谐振频率下发射电压响应级135.1 dB.     

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).     

基于改进PSO的超声雾化电源频率跟踪研究*

超声波雾化技术由于其良好的雾化效果获得了广泛关注，具有极大的研究价值和应用前景。但是在超声雾化的过程中，由于换能器的温度变化、刚度变化以及在水中的负载变化等因素，会产生谐振频率漂移的现象。当工作频率偏移谐振频率时，将造成换能器的工作效率降低和元器件损坏等问题。针对此问题，设计了基于改进粒子群算法优化PID参数的超声雾化电源频率跟踪算法，并对该算法进行频率跟踪的仿真验证和实验对比，在频率跟踪上实现了更好的效果，使换能器能够稳定工作在谐振状态，提高了电源的利用率。     

一种压电超声波物料输送器*

利用压电陶瓷元件具有良好声电转换特性和输出特性,本文提出了一种新型结构的压电超声波物料输送器。设计了超声波物料输送器的结构并分析了其工作原理,采用纵扭复合型压电换能器为驱动源,对压电换能器进行了结构设计和参数计算,并对其进行了性能测试。由此研制出了压电超声波输送器的样机并进行了试验测试,结果表明:当频率为17.9 kHz–18.6 kHz时,输送器具有输送物料能力。驱动负载为1.5 kg时系统的谐振频率为18.3 kHz,输送速度最快,达到64个/min。随着电源输出功率的增大输送物料速度呈线性增加。该输送器的稳定性好,噪声低。与压电片式和电磁式输送器噪声进行对比,超声波输送器的工作噪声仅为31 dB,略小于压电片式,远小于电磁式。     

超声波风速仪

研制了一种结构较简单而又能可靠地工作的超声波风速仪,它可以测定平面上任意正交方向水平风速的分量.仪器的结构采用脉冲声程时差法,设计出一套平滑平均与模拟运算电路,可获得风速的模拟电压信号输出.超声脉冲重复频率为330Hz,换能器谐振频率为100kHz.     

激光锁定F-P腔频率的有差锁定研究

基于有差伺服调节技术,实现了外置光学谐振腔的共振频率与钛宝石激光器工作频率的锁定.该技术采用压电陶瓷作为执行元件,通过对压电陶瓷的调制,实现了对透射激光功率的调制,并由锁相放大器解调获得伺服信号,该伺服信号经过高压放大器放大后控制压电陶瓷的伸缩来调控谐振腔的腔长,从而使腔的共振频率锁定在激光频率上.当激光上作于单一频毕时,谐振腔的谐振频率可以长时间地与激光频率保持锁定,锁定后腔的透射光功率相对起伏的稳定性为2%.当激光频率扫描时.谐振腔的谐振频率可以在2 GHz范围内不间断地与激光频率保持锁定.     

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器*

高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一,为了探究其在水声换能器领域的应用潜力,该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据仿真结果优化结构尺寸,制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明,铌酸钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为35kHz,最大发送电压响应为 151dB,声源级可达 190dB,在 26kHz~67kHz 的频率范围内发送电压响应的起伏不超过±4.5dB,谐振频率处-3dB 的指向性开角约为 76°。该无铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能,有望推动无铅压电材料在水声换能器领域的应用进程。     

磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器

设计制作了一种新型磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器,采用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为联合激励元件,模拟计算与实测结果均表明,与采用单一振子激励的凹筒型发射换能器相比,此种新型换能器在保持尺寸小、频率低等优点的同时,显著拓宽了工作频带并提高了辐射声功率。换能器外型尺寸为φ88 mm×316 mm,水中谐振频率1.30 kHz,-3 dB带通Q值1.43,谐振频率下发射电压响应级135.1 dB。     

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。     

弯张换能器尺寸与其同相振动谐振频率的关系

本文用有限元计算方法研究了弯张换能器各方向尺寸与其同相振动谐振频率之间的关系，得出以下结论：不一定所有尺寸的换能器都具有理想的同相振动模态；长、宽、高尺寸不变时，若换能器的壳体厚度值增大，则同相振动的谐振频率值随之增大；壳体厚度不变的情况下，减小长，宽、高中的任意一个参数时，其同相振动谐振频率将增高。     

基于高次体波谐振的弹性板厚度测量方法研究

利用压电片在弹性板中激发出的高次体波谐振,提出一种评估弹性板厚度变化的测量方法。根据该层状结构的高次谐振的频率随弹性板厚度变化的关系,给出测量方法的理论分析和数值计算。计算结果表明,并联谐振频率和并联谐振频率间隔与弹性板厚度的偏差量相关。其中,并联谐振频率随厚度偏差量呈线性变化,并具有周期性跳变规律。研究这种跳变规律,能提升高次谐振模式测量板厚的精度。此外,通过对数值仿真算例和实验测量比较,验证了本测量方法的可行性。     

关于多层薄膜微波超声换能器

在微波超声技术中,最常用的换能器之一是放在重入式谐振腔中的压电介质棒(通常为石英棒)。这种换能器的效率很低。 本文建议采用多层压电薄膜作为微波超声换能器(如图1所示)。在欲将声传入的材料棒上,相间地制备压电和非压电薄膜,每层厚度都等于该介质中的声波半波长,将此多层薄膜系统置入例如由重入式谐振腔产生的微波电场中,即可获得高效率的电声换能。     

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。     

高次谐波体声波谐振器谐振频率分布研究

基于由谐振频率分布提取压电薄膜参数的方法,研究影响高次谐波体声波谐振器(HBAR)谐振频率分布的因素。对多种HBAR进行模拟计算,模拟结果显示,变化基片对薄膜的声阻抗比值会引起并联谐振频率间隔的分布和有效机电耦合系数的分布改变;当薄膜的基模在高频时,改变电极对薄膜的声阻抗比值和电极厚度会引起谐振频率分布改变。这些结果表明,通过调整影响谐振频率分布的因素能使谐振频率变化,进而得到在特定的频率上产生谐振。