夹心复合材料宽带超声换能器的研制

本文采用高频夹心PZT(3-3)复合材料、单层前匹配和高损耗声阻抗背村全匹配的结构,研制出窄脉冲宽带超声换能器.所研制的中心频率为1MHz的换能器,在水负载中有高传输效率,得到声压脉冲长仅一个周期的接收波形.对铝合金和灰岩等较低声阻抗负载,也得到了一个周期脉冲的接收波形.     

中科院声学所超声室生产复合材料等超声换能器

中科院声学所超声研究室的换能器研究，曾获得中国科学院重大成果一等奖和国家自然科学奖，在国内外有较大影响．在理论研究的基础上，研究室近年来推出超声检测用换能器系列产品，其中包括气介式检测、液浸式检测和固体耦合式检测几大类换能器．每一类中又有特殊的空间响应和时间响应探头和常规探头，频率一般在几千赫至100兆赫．使扶探头：．高灵敏度窄脉冲探头（灵敏度和相对带宽普遍高于市场商品探头6－20dB）．无旁瓣高斯探头．平面接触绳声束聚焦窄脉冲探头（专利产品）．首次波幅度比大于1的测量探头．直接耦会横渡直探头．有信号处…     

用来激励高频超声换能器的电激励源

讨论了超声换能器的几种激励方法，分析了三种常用激励方法在激励高频超声换能器时的特点及其同局限性，我们雪崩ＭＡＲＸ电路制作的单极窄脉冲能地激励率高达１００ＭＨｚ的换能器并取得了较好的结果。     

压电复合材料宽带横波换能器的实验研究

本文用实验方法研究了２－２压电复合材料的厚度切变特性，定性地给出了２－２压电复合材料的性能与ＰＺＴ相体积百分比，以及与共振频率牟关系。并用这种材料作为换能元件，制作出高灵敏度窄脉冲横波换能器。     

夹心式纵-扭复合模式压电超声换能器的共振频率

本文对夹心式纵-扭复合振动模式压电超声换能器进行了研究．从换能器的等效电路出发，在无耦合时，得出了换能器中纵向振动模式及扭转振动模式的各自共振频率方程．实验表明，换能器各自共振频率的测试值与理论计算值基本符合．     

窄脉冲声用于大样品的吸声测量

本文利用逆滤波器原理,在空间产生了波形可控、长度在毫秒量级的窄脉冲声信号,分别采用脉冲分离法和脉冲叠加法,对一种毛毡材料和三种不同厚度的海绵材料进行了吸声系数的测量。实验证明,基于窄脉冲声信号的吸声测量结果与ISO13472-1:2002中的MLS脉冲法及阻抗管的测量结果基本吻合。采用窄脉冲进行吸声测量,可以减少样品边缘和周围环境对测量信号的干扰,提高现场测量的准确性。     

纵振驱动球面弯曲振动超声聚焦系统的聚焦特性*

为了将超声聚焦效应应用于工业加工中的冷却技术中,该文提出一种由夹心式换能器纵向振动驱动球面弯曲振动超声聚焦系统。基于基尔霍夫-亥姆霍兹声场理论分析了由换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动组成的复合超声振动条件下的声场聚焦特性,并通过实验进行验证。研究结果表明,该聚焦系统具有显著的聚焦特性,球面弯曲振动将声能汇聚在声场焦区;当声场相位相同时,换能器中心面纵向振动和球面弯曲振动产生的声场在焦区发生叠加,可以进一步提高焦区声压;减小换能器中心面半径和球面曲率半径、增加球面开口半径可以增强复合超声振动的聚焦效果。     

环氧-钨粉背衬工艺及其应用

本文实现一种用真空抽吸环氧法制成背衬的工艺。声阻抗率可达30×10~6Pas/m。背衬棒用于低超声频换能器,可以得到单极或双极的声脉冲。     

碳纳米管-聚二甲基硅氧烷的光声特性

碳纳米管-聚二甲基硅氧烷(CNT-PDMS)是一种新型的激光超声换能器(LIU-T)复合材料,具有高频率、宽带宽、高振幅的特性。该复合薄膜可作为高效、鲁棒的超声发射器用于诊断和治疗。纳米复合材料的固有结构提供了独特的热、光学和机械性能,这不仅有利于能量转换,而且对脉冲激光烧蚀具有很好的鲁棒性。PDMS聚合物具有高热弹性系数有利于材料的伸缩从而产生超声。研究了几种不同复合薄膜产生的光声信号特性,测试了不同衬底和水介质条件下的光声信号特性。利用碳纳米材料的高吸光性和PDMS聚合物的高膨胀性制作激光超声换能器,不但降低了材料的厚度,还有望产生高频高强度超声信号。实验用硬玻璃衬底厚度约为1 mm,软薄膜衬底厚度在微米级,水介质条件下的厚度为3 mm。在脉冲激光激励下,水介质下软薄膜条件、硬玻璃衬底、软薄膜衬底涂层端面超声压力分别为2.0, 3.9和5.2 MPa。通过一系列的研究得出了结论:(1)软薄膜衬底(3×3)比硬玻璃衬底(3×3)更具有良好的负脉冲,更适合用在光声空化治疗方面;(2)水介质条件下不利于产生高强度光声信号。总而言之,采用激光超声换能器比压电换能器更具有产生高振福,带宽宽的超声信号的潜力,而且提供了一种没有电子等干扰结构的超声激励新方法,有望成为替代压电换能器的新一代激光超声换能器。这种新方法应用在磁声电成像领域可以大大减少超声激励源的干扰。同时,相对于将CNT混入PDMS中的方法,该方法更具有简单方便节省材料等优点。对于硬玻璃传统型衬底,实现的软薄膜衬底能产生较高的声压5.2 MPa,并且中心频率在5MHz,-6 dB超声带宽也相对较宽接近5MHz,相比于早在2014年实现的CNT-PDMS激光超声换能器产生的4.5 MPa声压,本文方法更具有临床应用前景,应用在磁声电成像等方面具有很好的避免电磁干扰效果。     

多孔脆性材料对高能量密度脉冲的吸收和抵抗能力

作用在脆性结构材料表面的高能量密度脉冲会以冲击波的形式传播进入材料内部, 导致压缩破坏和功能失效. 通过设计并引入微孔洞, 显著增强了脆性材料冲击下的塑性变形能力, 从而使脆性结构材料可以有效地吸收耗散冲击波能量, 并抑制冲击诱导裂纹的扩展贯通. 建立格点-弹簧模型并用于模拟研究致密和多孔脆性材料在高能量密度脉冲加载下的冲击塑性机理、能量吸收耗散过程和裂纹扩展过程. 冲击波压缩下孔洞塌缩, 导致体积收缩变形和滑移以及转动变形, 使得多孔脆性材料表现出显著的冲击塑性. 对致密样品、气孔率5%和10%的多孔样品吸能能力的计算表明, 多孔脆性材料吸收耗散高能量密度脉冲的能力远优于致密脆性材料. 在短脉冲加载下, 相较于遭受整体破坏的致密脆性材料, 多孔脆性材料以增加局部区域的损伤程度为代价, 阻止了严重的冲击破坏扩展贯通整个样品, 避免了材料的整体功能失效.     

多基元聚焦空气耦合超声换能器*

文中针对空气耦合超声换能器及其在表面缺陷检测中的应用开展了研究。选用1-3型压电复合材料及双匹配层结构来实现超声换能器压电材料与空气之间声阻抗的逐渐过渡,提高压电材料/空气界面的声能量透射率进而提高空气耦合超声换能器的灵敏度。在此基础上研发制作了440 kHz多基元聚焦空气耦合超声换能器,并对其性能进行了测试。其焦距、焦宽及焦深分别为41.44 mm、1.14 mm和20.30 mm,灵敏度和带宽分别为-50 d B和20.2%。测试结果表明该空气耦合超声换能器具有优良的性能,利用该超声换能器可以有效检测材料表面缺陷。     

金属中超声脉冲的激光产生和压电接收

本文报道了利用TEACO_2激光器的单一光脉冲,在铝、铜和低碳钢等金属中激励超声脉冲,并用超声压电换能器检测声脉冲的实验结果。对声信号的频谱做了初步的分析。测量和分析将有助于建立激光在固体中激励声脉冲的物理模型。     

超声换能器对线性调频信号脉冲压缩性能的影响分析

该文研究了不同编码带宽下超声换能器对编码信号脉冲压缩后信噪比与轴向分辨率的影响关系。将脉冲压缩后的时域峰值转化为频域积分的形式,得到考虑换能器影响的脉冲压缩信噪比公式。以线性调频信号为例,仿真与实验结果表明,编码激励相对于方波激励的信噪比增益随编码带宽的减小而增大,因为受换能器带宽限制,编码激励的轴向分辨率随编码带宽的增大先减小后趋于稳定。该研究为编码激励方法更有效地应用于超声检测的背景中提供了参考。     

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。     

用锥状厚压电片换能器的测量

在工业无损评价(NDE)及医学超声成像中,为提高纵向分辨率,希望超声换能器具有窄脉冲宽频带的特性,为此,有人用高阻抗、高衰减材料做为压电晶体的背衬,用作匹配吸收体。也有人采用厚的压电晶体制做换能器,利用其远离共振频率的非谐振状态工作,但上述方法存在一些不足,如换能器径向模的振动,粘接层的影响等。作者提出了一解决问题的方法,即厚片锥状压电换能器,其工作在非共振状态,同时作用面积小。     

低声阻抗复合压电陶瓷的研究及应用

本文研究了我们所配制夹心结构复合压电材料低声阻抗的特性。实验表明，夹心复合压电陶瓷材料的声阻抗，与所用陶瓷材料的种类，气孔率，孔径，样品厚度以及工艺制备过程有关。实验证明，研制特定阻抗的材料是可行的，最后，用研制的新材料成功地应用于混凝土、Ｃ／Ｃ复合材料等非金属材料的超声检测中。     

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.     

国外声学简讯

由于通常的超声换能器所产生的声脉冲持续时间较长,所以不宜用来测量小于100μm的材料厚度.最近,美国IBM研究实验室(IBM Research Laboratory)的谭姆(A·C·Tam)发展了一种产生和检测超短持续时间的声脉冲的方法,可以用来测量薄膜厚度.在厚度为12μm的不锈钢膜上测量的结果表明,精度可达1%.     

高功率超声脉冲激励下金属板的非线性振动现象研究

对高功率超声脉冲作用下金属板中的超谐波、次谐波、准次谐波以及混沌等非线性振动现象进行了实验和理论研究.在实验中,高功率超声换能器产生脉冲调制的高频振动激励金属板产生非线性振动,利用激光测振技术测量不同尺寸和不同固定方式下金属板复杂的非线性振动情况,并对其进行了时序分析、频谱分析以及相空间分析.根据实验条件,提出包含非线性接触阻尼的振动-碰撞动力学模型,用以研究强超声振动-碰撞作用下的板非线性振动机制,并进行了相应的理论计算.计算结果表明,超声换能器的变幅杆与金属板之间的间歇性高频碰撞作用是金属板强非线性振 关键词： 非线性板振动 强超声脉冲激发 振动-碰撞动力学     

强电磁脉冲信号激励下复杂目标的散射

用时域有限差分法仿真了某飞行器缩比模型及该模型涂敷雷达吸波材料的散射特性,得到了鼻锥方向、侧向和后向ns级脉冲激励下模型的时域响应和频域雷达散射截面;并在外场用ns级脉冲源进行了该金属模型的探测实验。仿真与外场实验结果均得到了模型的鼻锥方向回波幅度最小,侧向最大;鼻锥方向回波脉宽最宽,侧向最窄的结论。研究结果表明：外形隐身和材料隐身对ns或亚ns级窄脉冲的隐身效果不明显,ns或亚ns级窄脉冲能发现和识别隐身目标。