基于NI ELVIS的超声换能器参数测量系统设计

为了满足超声换能器快速筛选的要求,在对超声换能器参数导纳圆法测量原理进行分析的基础上,利用NI ELVIS平台搭建了一种结构简单的超声换能器参数测量系统。采用点频法实现高精度、快速的导纳测量,采用最小二乘法拟合得到导纳圆,进而完成超声换能器诸参数的计算。基于LabVIEW软件平台编写了相应的软件系统。针对40 kHz超声换能器的测试表明,所设计的超声换能器参数测量系统精度高、处理速度快,且结构简单、便于使用。     

计算机曲线拟合求压电换能器的特征频率及动态参量

求压电换能器的特征频率及动态参量时通常采用“导纳圆图”的分析方法。测量“导纳圆”时,在换能器的共振频率附近只能测出几个频率点,因此从“导纳圆”上求得的特征频率为较粗糙的线性插值,误差较大,特别是在高Q值时更为明显。实际上,由这种方法确定串联、并联共振频率,电共振与反共振频率等较为困难。因此求与其相关的动态参数也同样困难,利用测量的频率、阻抗模量及幅角,采用计算机作曲线拟合的方法作数据处理,可求得换能器的全部特征频率以及对应的导纳值、机械及电品质因数、有效机电耦合系数等动态参量。在一定程度上提高了精度,编成通用程序后可提高工作效率。     

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。     

功率换能器电声效率测量的初步研究

本文初步研究了利用值流量热法,在牛角尖形量热计中,对功率换能器在实用功率状态下电声效率的测量.这种测量方法避免了已往在小信号情况下测量功率换能器电声效率的一些不足之处.其中对恒流量热法测量原理、量热计形式和吸收液的选择等都作了简要的讨论,并给出了部分换能器的测量结果.     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

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.     

超声换能器的高功率性能测试

大功率超声换能器的性能测试是比较困难的．本文提出了一种测量大功率伏态下夹心式压电换能器性能参数的新方法．利用该方法不仅能够得到换能器的各种转换效率,而且可以测量换能器等效电路中的等效电参数．实验表明,用该方法得到的结果与用高频电功率计法所得的结果基本上符合．这一方法为换能器的大功率状态性能评价提供了途径．     

可用于热声发电的曲柄连杆式换能器阻抗特性理论研究

热声发电系统具有高效、可靠、结构简单及外燃等独特优势,在煤层气发电、太阳能发电及工业余热利用等领域应用前景广阔。本文针对用于热声发电的曲柄连杆式换能器,建立了物理模型,讨论了活塞质量、转动惯量及电路负载对换能器阻抗特性的影响,表明固定频率、振幅的压力波驱动下,由于曲柄连杆式换能器行程固定,其阻抗幅值不变,而相位角随负载电阻减小而减小,阻抗实部值相应增大。最后根据换能器阻抗特性,简化模拟了采用曲柄连杆式换能器的行波热声发电系统DeltaEC模型,模拟显示在充气压力3.16 MPa、热源温度650℃时,系统可输出约645.4 W电功(热电效率16.6%),表明此换能器用于大功率、低成本热声发电的优势。本研究为曲柄连杆式换能器与大功率热声热机高效匹配的应用提供了理论基础。     

宽带水声换能器阵和它的声场

本换能器由四对不同尺寸的PZT圆管组成.考虑了每个圆管的前两个振动模式和不同模式之间的互辐射效应,用模式叠加法和最小二乘法计算了换能器在水中的发射电压灵敏度、方向性图案和电导等特性. 实验表明:在16—120kHz间,水平方向的发射电压灵敏度起伏小于3dB,电声效率大于50％.电导值及发射电压灵敏度在16—80kHz内测量和计算符合.垂直指向性在25kHz内测量与计算符合.     

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.     

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）。     

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。     

用高频瓦特表测量夹心压电换能器在大功率状态下的电声效率

本文介绍实用状态下夹心换能器电声效率的测量实践。主要使用高频电功率计,通过测量同一振动速度下的空载时和有负载时电功率,及两种状态下的介电损耗功率,就可计算出电声效率。此方法具有速度快、设备简单等优点。     

圆环形聚焦声场的构建与调控

提出了一种由径向振动模式的圆环形压电换能器晶片组成的圆柱形阵列换能器结构, 依据阵元激励信号的相位调控机理, 推导了圆环形聚焦声场的调控公式, 在三维空间中构建了圆环形聚焦声场, 实现了对其聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及轴向位置移动的调控. 理论分析和仿真研究表明, 所提出的圆柱形阵列换能器实现了对圆环形聚焦声场的调控. 为检测超声、功率超声、医学超声等应用领域提供了一种可实现的新型圆环形可调控聚焦声场.     

医用超声治疗机换能器表面辐射声动率的声光法测量

声光法测量声功率,是利用平面波超声在透明液体中对光波产生的衍射效应来测量的一种方法.它能测量紧贴换能器表面的辐射功率,并且对声场没有影响.适宜于测量医用超声治疗机换能器的表面辐射功率.此文叙述了实验方法,给出了实验结果,并把结果列成表,以便查阅.结论表明,此法测量简便,精度较高.     

低频功率超声换能器辐射声场的激光干涉检测

基于媒质的压光效应,它的折射率n是声压的函数,于是利用激光干涉技术及理论上或实验上得到的声压相对分布,可以绝对测定声场中光路上各点的声压.本文对激光干涉测量声压的原理、方法作简单介绍,给出了单面活塞辐射源中场的声压分布的理论表达式,对一增幅杆超声换能器辐射声场中的声压进行了激光干涉实验测定,并与用 PVDF换能器实测的声压分布及声压值进行比较.     

模式转换弯曲振动超声换能器的研究

本文研制了一种由纵向振动夹心式压电换能器和弯曲振动细棒组成的纵一弯模式转换弯曲振动超声换能器，从理论上分析了此类换能器的两种振动模式，井推出了其共振条件．实验表明，换能器共振频率的测量值与理论值符合很好，弯曲振动换能器的能量转换效率较高，性能稳定，在实际生产中具有广泛的应用．     

大功率工作状态下压电换能器效率的实验研究

用电测法对夹心式压电换能器在大功率工作状态下的效率进行实验研究。研究了压电换能器电声效率与负载、输入电功率的关系和效率的频率特性。在声匹配的情况下,换能器的电声效率大于90％,换能器的电声效率存在着随输入电功率的增加而增高的现象。     

驻波法测超声波衰减系数

用驻波法测量超声波在空气中衰减系数的实验方法。与前人的方法进行比较。新的测量结果更符合实际。只有当换能器反射系数r〈0.619时,用简单波拟合得到的衰减系数才比较可信。同时讨论了该方法的实用意义。     

基于换能器阵的三维多粒子悬浮及操控装置

针对目前三维声操作技术悬浮粒子数量少、悬浮空间局限的问题,本文提出了一种由三对相对换能器阵列组成的声悬浮装置的设计方案,通过改变换能器阵列的相位差,成功实现了粒子的三维操纵.该装置可用于测量声速,相对误差一般在2%~5%左右,对测量环境要求比较严格.