夹心式压电超声换能器串并联传输矩阵设计法

将压电环片等效为一有源六端网络,考虑预应力螺栓对系统建模的影响,并将其等效为一机械四端网络,基于串并联传输矩阵法,建立了Langevin换能器的总体网络模型,导出其总传输矩阵,进而推算出换能器的共振频率。结果显示该方法比普遍采用的Langevin换能器传输矩阵设计法有更高的参量计算精度。此方法也为分析换能器其它电学参数提供了方便。     

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。     

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。     

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。     

四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器的设计

提出了一种四激励二维正交复合夹心式压电超声换能器,换能器由四组纵向极化压电陶瓷晶堆、一个中心耦合金属块和四个外部金属圆锥组成。基于二维耦合振动机理和机电类比原理,建立了换能器的等效电路模型并推导了其谐振频率方程。利用有限元软件仿真分析了四激励正交复合换能器的频响特性和振动特性,并与其单独一个方向振子的振动特性进行了对比。加工了反相和同相模态的换能器,利用阻抗分析仪和激光测振仪测试了其频率响应和二维四向纵振动输出特性,并进行了大功率二维四向超声乳化实验测试。理论、仿真和实验结果表明:换能器具有反相和同相两个纵向正交共振模态,在这两种共振模态下均可实现二维四向纵振动输出,且换能器两个正交方向振子的纵向振动具有相互耦合加强的作用;等效电路法和有限元法所得换能器的共振频率和有效机电耦合系数与实验测试结果吻合,通过与单激励正交复合夹心式压电超声换能器的有效机电耦合系数对比,发现该换能器具有更高的有效机电耦合系数。     

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）。     

矩形扭转压电换能器的研制

本文从压电和机械振动等基本理论出发，首次较系统地建立了矩形扭转压电换能器的理论，推导出频率方程，并通过实验进行了验证。     

压电圆管换能器振动特性的薄壳理论分析

本文运用弹性力学中的薄壳理论，分析了径向极化压电陶瓷圆管换能器的振动特性，并在此基础上推导出换能器等效电路的特性阻抗，为换能器的设计提供了依据。分析及计算结果表明，本文的理论与以往常用的薄膜理论相比，不仅在物理模型的描述上更为完整准确，在计算精度上也更接近实际。     

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。     

压电换能器数字模型软件包

最近美国NTR系统公司(NTR System Inc.,1902 North 34th Street,Seattle,WA 98103,USA)推出了一个压电换能器数字模型软件包,PiezoCAD。这个软件包用传输矩阵法计算换能器的整体特性。用户可以从软件包里的数据库选择压电材料的参数。这个数据库里有陶瓷、晶体、聚合物和复合材料的板、条、棒的大量参数。用户可以规定多层匹配层、多层背衬层和负载的特性。在电端可以规定各种电匹配网络,包括电阻、电容、电感、变压器和同轴电缆的串联、并联及各种组合。用T型网络表示的非理想变压器也包括在     

压电换能器阻抗匹配技术研究

超声测距传感器是由压电换能器及其收、发电路所组成的，其中压电换能器的阻抗特性直接影响着超声测距传感器的性能。为提高超声波回波信号的强度，扩大超声测距传感器的作用距离，对压电换能器的阻抗特性进行了分析与测试，设计了压电换能器的阻抗匹配电路，并进行了实验验证。     

压电MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了PMUT研究的发展进程和研究成果,展望了PMUT的研究和应用前景。     

PVDF压电薄膜超声换能器的初步实验

本工作对国产PVDF压电薄膜制成的超声换能器进行了初步实验.结果表明,PVDF压电薄膜换能器具有良好的接收响应.与PZT压电陶瓷换能器比较,其结构简单、制作方便以及能得到宽而平坦的通带特性,但灵敏度低.实验初步表明,国产PVDF压电薄膜巳达到了实用水平.     

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．     

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。     

锥形剖面径向复合超声换能器的机电等效电路

研究了一种锥形剖面径向复合超声换能器。该换能器由一个等截面内金属圆环、一个轴向极化的压电陶瓷圆环和一个锥形剖面外金属圆环沿径向复合而成,且换能器的径向尺寸远大于高度。锥形剖面外金属圆环满足关系式h=h0r,h0为厚度变化常数。基于平面应力径向振动理论,推导了换能器的机电等效电路,得到了共振频率方程和反共振频率方程,进而研究了换能器的振动特性。并将理论计算的第1阶、第2阶径向共振频率和反共振频率与数值仿真结果相比较,二者结果一致。研究表明:锥形剖面换能器第1阶、第2阶径向共振频率、反共振频率、有效机电耦合系数不仅与换能器各部分的材料、径向几何尺寸有关,还与h0有关。h0越大,第1阶径向共振频率、反共振频率越大,有效机电耦合系数先增大后减小。与等截面相比,锥形剖面换能器沿径向向外辐射声波,辐射面积更大,辐射声功率更高,指向性更好。     

《压电换能器和换能器阵》简评

由栾桂冬、张金铎、王仁乾编著,北京大学出版社出版的《压电换能器和换能器阵》一书,即将与读者见面。 北京大学声学专业多年来一直为高年级和研究生开设换能器和换能器阵课程。在这门课长期教学基础上,广泛征求读者意见,经多次修改,并补充近年来换能器和换能器阵研究方面的成果和分析方法编成这本书。 全书四十多万字分上下两册,共十五章。上册包括第一章至第九章,下册包括第十章至第十五章。第一章简述了压电换能器和换能器阵的发展及这门学科对声学的发展、研究和应用的重要性。第二章系统讲述了晶体的宏观对称性,晶体的弹性、介电性和压电     

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。     

一种非均匀厚度压电复合材料片宽带换能器的实验研究

本文利用１－３压电复合材料作为换能元件，通过特殊工艺制备成一面是平面，一面是球面的非均匀厚度压电振子，这种压电晶片加上激励电压后，不同厚度处以不同的共振频率振动，从而使压电晶片的振动频带加宽，本文介绍了这种压电晶片的机电特性，以及用这种压电晶片制成的宽带聚焦超声换能器的脉冲回波特性，此外，文中还对这种换能器与均匀厚度压电晶片换能器的脉冲回波特性进行了比较。     

基于数字电感的压电换能器动态匹配的研究

本文用实验的方法叙述了压电换能器的静态夹持电容随温度变化的特性,以及引起匹配质量下降的问题。提出了一种关于匹配的新概念－数字电感动态匹配,使匹配电感跟随静态电容的变化,从而提高匹配质量,实验结果表明,这种动态匹配方法是行之有效的。