国产PVDF压电薄膜的冲击加载及卸载响应研究

 对两种厚度的国产PVDF压电薄膜,用轻气炮和激波管进行了冲击加载应力-电荷曲线的标定,并与其它若干种国内外的PVDF标定曲线进行了对比和分析;采用阶梯卸载和同时测量质点速度的方法,研究了PVDF压电薄膜的冲击卸载响应特性,发现有明显的滞后效应存在。     

利用PVDF传感器检测激光超声的实验研究

简要介绍了激光超声技术以及声表面波的基本特点、激光超声产生和接收的基本原理及激光超声技术的应用。概述了聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜材料的结构、性质和应用，以及薄膜压电性产生的机理。对PVDF换能器的设计思路和实验方法进行了简单讨论。具体实验采用脉冲激光器激发声表面波，利用PVDF传感器接收实验信号，调试实验信号，得出波形，并对实验现象作出初步分析。证实了该实验装置应用于激光超声无损检测的可行性与可靠性。     

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）。     

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。     

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。     

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。     

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。     

PB-1型窄脉冲压电薄膜可逆式换能器

本文著者研制成PB-1型PVDF可逆式压电换能器。它的通频带较宽,中心频率500—900KHz,通带Q值1.5,发送电压响应[级]148.9dB(re:1μPa/V),灵敏度-210dB(re:1V/μPa)。在水中声脉冲持续时间7—10μs,并有足够的声功率输出,电声效率约10％。 本文介绍了该换能器的结构、理论分析、测量结果及应用效果。证明了理论与实验的一致性。可供电声、水声、超声等其它PVDF传感器设计时参考。     

致密—多孔—致密夹心PZT压电陶瓷及其在换能器方面的应用

本文用比较简单的陶瓷制造方法,制备了致密—多孔—致密夹心PZT陶瓷,并测定其在不同致密层和不同气孔率下的介电、弹性和压电性.这种夹心陶瓷呈现了大的静态电压压电系数g_k~*—170×10~(-3)vM/N,和小的介电常数—210. 用这种夹心陶瓷做成的水听器,要比用同样尺寸的普通致密PZT陶瓷做成的水听器灵敏度高,频带宽,并能经受100kg/cm~2的静压力.若用于无损检测或医学超声探头,夹心陶瓷具有较大的潜力.     

PVDF梳状换能器接收非线性兰姆波的实验研究*

该文基于PVDF压电薄膜对梳状换能器进行设计制作,并将该换能器应用于接收非线性兰姆波信号实验研究。首先通过输出矢量和方法分析PVDF梳状换能器的工作特性,然后将设计制作的PVDF梳状换能器应用于铝板中非线性兰姆波信号的接收,并与传统压电陶瓷换能器经斜劈接收的非线性兰姆波信号进行比较分析。实验结果表明,两种换能器所接收到的信号幅值随传播距离的变化趋势相近,线性增长的积累效应表征结果相似,且PVDF梳状换能器可以对基波和二次谐波信号同时响应。除此之外,PVDF梳状换能器用于接收非线性兰姆波信号更加稳定。因此,PVDF梳状换能器有望应用于复杂构件的在线检测与监测研究。     

PZT厚膜及高频超声换能器的研究

近年来,基于PZT厚膜的超声换能器研究受到了广泛的重视。本文综述了PZT厚膜制备技术的发展情况,简要介绍了水下声纳和医用超声领域中PZT厚膜型高频超声换能器的应用研制进展。     

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。     

阶梯圆环压电超声换能器径向振动性能的理论研究*

提出了一种阶梯圆环径向振动压电超声换能器,根据力电类比原理建立了阶梯圆环及阶梯圆环换能器的径向振动等效电路,推导了阶梯圆环的径向共振频率方程和位移放大系数,在此基础上进一步推导了换能器的径向共振和反共振频率方程。通过理论推导和有限元仿真模拟分析了阶梯圆环压电超声换能器的径向振动性能。结果表明,增大阶梯圆环中内外环的径向厚度之比K1或减小轴向厚度之比K2,阶梯圆环的一阶径向共振频率减小,二阶径向共振频率增大;在二阶径向共振模式下,K1、K2值在一定范围内阶梯圆环可实现由内向外的径向位移振幅放大;随着压电陶瓷圆环的内半径增大,阶梯圆环压电超声换能器的一阶、二阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振下的有效机电转换系数趋于零;增大阶梯圆环内环的外半径,换能器的一阶径向共振和反共振频率减小,二阶径向共振和反共振频率先增大后减小,理论推导与仿真模拟结果符合良好。本文研究结果为阶梯圆环压电超声换能器的工程应用提供理论参考。     

压电复合材料及其在换能器中的应用

本文评述了压电复合材料的性能、特点和研究概况,对这种新型压电材料在水听器及其他换能器方面的应用作了较多介绍。     

基于传输矩阵法的任意变厚度环型压电超声换能器

变厚度环型径向振动压电超声换能器可以实现阻抗变换、能量集中,具有辐射面积大、全指向性等优点,在功率超声、水声等领域被广泛应用.由于求解复杂变厚度金属圆环径向振动的波动方程比较困难,本文使用传输矩阵法将变厚度金属圆环的径向振动转化为N个等厚度金属圆环径向振动的叠加,得到了任意变厚度金属薄圆环径向振动的等效电路图、共振频率方程和位移放大系数表达式,分析了锥型、幂函数型、指数型、悬链线型金属圆环的位移放大系数与几何尺寸的关系.在此基础上,推导了由任意变厚度金属圆环和等厚度压电圆环复合而成的压电超声换能器径向振动的等效电路和共振频率方程.为了验证理论结果的正确性,使用有限元软件进行仿真,所得一阶、二阶的共振频率和位移放大系数的数值解与理论解符合较好.本研究给出了任意变厚度金属圆环径向振动的普适解,为设计和优化径向压电超声换能器提供了理论指导.     

检测超声换能器的校准与性能测量

检测超声换能器的性能是设计制造者和使用者都十分关心的问题。本文就超声换能器的几个主要整体性能——灵敏度、时间响应(传输函数)、空间响应(指向性和声场分布)以及等效电阻抗的测量与校准技术做了简要的综述。以灵敏度和时间响应为重点,介绍了各种校准和测量方法的原理及适用范围,并对其特点和局限性做了分析。     

压电陶瓷复合换能器固有频率的有限差分法*

为丰富换能器固有频率的研究理论,以及提供一种新的计算方法供工程人员选择,提出了计算其固有频率的有限差分法。以由径向极化的压电陶瓷圆管与金属预应力管沿径向复合而成的二元压电陶瓷复合换能器为例,建立并推导了其向振动的数学模型及其有限差分形式,给出了换能器径向振动的特征方程。利用MTALAB对计算实例的径向振动的固有频率进行编程计算,理论计算结果与已有实验结果符合很好,验证了有限差分法计算压电陶瓷复合换能器固有频率的可行性及准确性。通过仿真计算,给出了换能器径向振动固有频率与其结构尺寸的影响关系：换能器径向振动的固有频率随压电陶瓷圆管内径的增大而降低,随换能器壁厚比的增大而降低。该文所建立的换能器径向振动固有频率的有限差分法同样适用于结构形式相近的换能器及其他元器件。     

水下声成像PVDF—DMOS换能器

本文通过研制水下声成像PVDF-DMOS集成接收换能器,分析了高分子压电薄膜在水声中应用的新途径及其组成换能器的振动模式,建立了机电等效电路图.并分析了影响器件灵敏度的诸因素.介绍了本工作的测量结果,评价了器件的特性.本文可供设计各种PPDF压电换能器、传感器时参考.     

纵向压电换能器的预应力控制

纵向压电换能器的性能和施加的预应力大小有很大关系.因此,必须对预应力进行控制.本文在文献[1]的基础上,进一步阐明了控制预应力的基本原理,并根据换能器装配时的实际情况,提出了实现预应力控制的具体操作步骤.     

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.