深水宽频带收发换能器

本文介绍了一种在深海多通道应答系统中用来检测声信号的收发两用宽带换能器的设计和制作.利用自由液浸环式换能器的液腔和陶瓷环耦合共振的原理,简化了换能器的结构和工艺.所制作的换 能器可在420m水深海域中工作,在8.5—14kHz宽频带范围内声源级达197dB,并有±1dB不均匀性的发射电压响应级和起伏±2dB以内的接收灵敏度响应级.该换能器系统安装在多通道定位系统中,在高速深水航行的实艇上得到实际应用.     

高振幅夹心式压电换能器

用一维理论分析了由n个元件组成的压电换能器,用传输矩阵方法编程计算了换能器两端面的位移振幅比为最大时的最佳长度比,并作实验验证。实验和理论计算结果基本符合。     

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.     

压电管堆式宽带换能器*

研究了一种具有管状叠堆结构的圆管换能器,其敏感元件是由纵向极化压电陶瓷单元组成的薄壁管状压电叠堆,探讨利用管状叠堆纵向和径向振动耦合实现宽带发射。利用压电柱壳振动理论推导了管堆的频率方程,分析了换能器的纵向和径向模态的振动耦合特性。在理论分析的基础上利用有限元方法对换能器的带宽和发射电压响应进行优化并研制换能器样机。测试结果表明,纵向极化的管状压电叠堆结构具有良好的发射电压响应和宽带特性,与理论及仿真结果相符。     

夹心式径向复合压电超声换能器

对夹心式径向复合压电换能器径向振动特性进行了研究。该换能器由弹性内芯、预应力金属管及柱面压电陶瓷晶堆径向复合而成.利用机电类比法,得到了换能器的径向振动等效电路及频率方程。探讨了换能器第1、2阶径向共振频率及有效机电耦合系数与其几何尺寸的关系。研究表明,换能器第1阶径向共振频率随其内芯内径及预应力管壁厚度增大而降低;第2阶共振频率随内芯内径增大存在极小值,但随预应力管壁厚度增大单调下降。此外,采用第2阶径向共振模式能获得较高的有效机电耦合系数,并且压电陶瓷处于位移节线时,换能器有效机电耦合系数达极大值。对换能器共振频率的测试与有限元仿真表明。理论与实验及仿真结果符合较好。     

压电复合材料换能器

压电复合材料是将压电陶瓷与聚合物材料按一定的连通方式、一定的体积百分比和一定的空间分布复合而成的。它可以提高材料的某些压电性能,并具有常用压电陶瓷材料所没有的某些优良性能。在过去的十几年中材料研究者们做了大量工作并取得实用性进展。     

半穿孔结构宽频带夹心换能器的理论分析

为了增加超声处理用的夹心换能器的频带宽度,我们曾研制出一种新型的半穿孔结构宽频带夹心换能器。为研究这种换能器增大带宽的原理,本文提出了一种理论分析模型,并给出全等效网络。计算了有水负载时换能器输入电导纳的频率特性对孔参数的依赖关系。关于带宽的理论计算结果和实验测量结果符合较好。同时还计算了换能器“变换段”输入力阻抗的频率特性与孔参数的关系,计算结果表明:半穿孔结构具有增加带宽的特性。此外,本文并应用复变数映象理论分析了多孔结构辐射块孔参数对带宽以及对负载敏感性的影响。这个分析方法也可用于其它超声振动系统的分析。     

大尺寸夹心式压电超声换能器的设计

现有的夹心式压电超声换能器的设计方法多从一维理论出发，它对横向尺寸较大的换能器并不适用．本文研究了大尺寸夹心换能错的铝合振动，通过引人振动体的等效弹性系数，推出了换能器的耦合振动频率方程，并给出了换能器纵向共振频率的设计准则．与数值法相比，本方法计算非常简单．与一维理论的计算结果相比，利用本文理论得出的换能器的纵向共报频率与实测值更加符合．     

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。     

DYNAMICAL ANALYSIS OF A CYLINDRICAL PIEZOELECTRIC TRANSDUCER

In the present paper, the vibration of a cylindrical piezoelectric transducer induced by applied voltage, which can be used as the stator transducer of a cylindrical micromotor, is studied based on shell theory. The transducer is modelled as a thin elastic cylinder. The properties of the vibration modes of the transducer, such as mode frequencies and amplitude ratios of the mode shapes, are determined following Galerkin method. The response of the transducer under the four electric sources with 90° phase difference is then obtained by the modal summation method. With the results, the performance of the transducer under the electric sources can be estimated. The present work provides a general and precise theoretical modelling on the dynamical movement of the transducer.     

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。     

压电换能器导纳的研究

本对压电换能器的等效电路及导纳圆测定方法进行了介绍．对于提供压电换能器与所在电路间的阻抗匹配有重要意义。     

一种压电换能器辐射阻抗变换器

本文介绍一种借助穿孔板变换压电换能器辐射阻抗的装置。根据严格的声学理论阐明了这种变换器的工作原理和声学特性,导出了共振频率、品质因子、辐射阻和辐射效率增大倍数等重要参数的理论公式。文中还介绍了夹心式压电换能器采用这种变换器时的一系列对比试验,表明理论计算与实验结果良好相符。     

压电超声乳化装置

随着工业的发展,能源消耗与日俱增,环境污染日益严重,世界各国都在寻找节约燃油、减少环境污染的途径,燃油掺水燃烧是目前国内外正在积极研究的方法之一.
为研究内燃机使用柴油掺水乳化液的经济效果、动力性能和排气污染,我们研制了Ⅰ型压电超声乳化器.它由压电换能器及变幅杆振动系统、乳化腔和自动频率跟踪超声频电源组成.其特点是体积小、重量轻、单机功率容量大,可以进行连续处理.     

厚度模压电换能器应电压的特性分析

在文献[1]中,我们曾经讨论了厚度模压电换能器在受到外电源的激励时直接产生的瞬变电压。曾指出这个电压同换能器接收超声信号时显示出的始脉冲宽度有直接联系,因而也和检测盲区的大小有直接联系。根据一维理论,这个应电压近似地是衰减的高频振荡,其频率接近于换能器所辐射声压的频率,叠加在一个指数曲线上,指数曲线系起源于外加瞬变电压对换能器钳定电容的充电。
本文给出了在阶跃电压的激励下具体计算应电压的步骤,并分析了几项结构参量对应电压的各自影响。理论采用了梅森（W.P.Mason）等效电路模型。这些参量是:（1）负载或背衬材料的声阻抗率,（2）压电片的机械Q值,（3）刚玉保护膜的厚度,（4）并联线圈的电感。
理论计算结果表明:
（1）在轻负载或轻背衬时,高频振荡部分大而拖长;在重负载或重背衬时,则这部分小,并且较快地衰减。
（2）对于同一种压电陶瓷,当约Q<100,降低Q值会减小高频振荡部分的幅度,而当约Q>100,改变Q值并不显著地影响高频振荡。
（3）在轻负载的条件下,增加保护膜的厚度会加大高频振荡的幅度;在重负载的条件下,当负载的声阻抗率匹配或接近匹配压电陶瓷时,保护膜对应电压的影响不明显。
（4）从并联电感的初步探讨结果看,值得进一步研究加联电学元件的效应。
当压电材料为PT陶瓷时,关于改变负载或背衬声阻抗率的理论计算结果,为实验所证实。但当压电材料为PZT-5陶瓷时,应电压中出现了一个附加的、理论所没有预计的、不规则低频振荡部分,可能是对这种压电材料,一维假定已不能适用,这个问题有待进一步分析。     

夹心式压电换能器的参数对有效耦合系数的影响

夹心式压电换能器（或称组合式换能器,或称郎之万换能器）早已广泛应用于水声和超声领域。但是对它的最佳设计理论探讨的并不充分。有人^[1,2]曾实验研究过夹心换能器中压电片的位置对换能器Q值的影响。我们现在将探讨换能器参数对换能器另一重要性能指标——有效耦合系数K_eff的影响。     

球形压电换能器的相位重现和瞬态响应重现

在本文中,我们给出了球形压电换能器的传递函数的一种简单算法,从传递函数的解析表达式利用FFT计算了瞬态响应,计算表明,球形压电换能器的脉冲响应具有最小相位行为,因此其传递函数的相位谱可以从它的振幅谱利用希尔伯特变换重现出来,由此得到的相位谱与从传递函数的解析表达式直接计算的相位谱满意地符合。在此基础上,我们首次从F42-C型球形压电换能器的传递函数的振幅谱的测量值重现了它的相位谱,重现的相位谱同实测的相位谱基本符合。
此外,利用传递函数的振幅谱的测量值和重现出来的相位谱,我们进一步重现了F42-C型球形压电换能器的脉冲响应和阶跃响应。