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．     

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．     

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.     

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．     

夹心式压电换能器频率方程的矩阵表示

本文从夹心式压电换能器的等效线路出发,得出了整体频率方程的矩阵表示式,为夹心式压电换能器的优化设计提供了一定的理论基础及研究途径。     

夹心复合PZT材料及其应用

本文主要描述致密-多孔-致密夹心复合PZT材料及其在窄脉冲超声换能器方面的应用。通过两类六种不同夹心复合材料的换能器实验表明,未充硅橡胶的夹心复合材料是一种制作窄脉冲超声换能器的新型换能材料。     

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。     

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.     

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进行了研究，从换能器的等效电路出发，在无耦合时，得出换热能器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。     

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。     

夹心换能器的节点位置对其特性的影响分析

以半波长夹心换能器的节点位置与压电陶瓷堆中心的距离为变量,分析了换能器的力因子,等效机械阻,潜在最大电声效率,以及电声效率与负载的关系等一些特性指标与节点位置的关系。提出了工程实际中,换能器节点位置选取的一些考虑。     

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。     

有力、电负载和损耗时夹心式压电换能器的共振频率及效率

本文讨论换能器有负载力阻抗及电端接有电阻抗,同时考虑换能器材料的机械及介电损耗时的夹心式压电换能器的共振频率及效率.给出了工程上常用的几种结构的频率计算式.所作的部分实验验证及经实际应用都表明理论计算和实验结果基本符合.     

穿单孔型宽频带换能器

提出一穿单孔型换能器,即在夹心式压电换能器前盖板上穿一圆台形单孔。先利用一维设计理论推导出在某一参考面换能器的等效质量、等效电阻的表达式,得到换能器的机械品质因数和带宽的表达式。后又利用有限元方法计算了换能器的电压发射响应。与未穿孔换能器相比较,在一定尺寸范围内,频带宽度将得到拓宽。实验结果与理论计算符合比较好。     

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。     

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。     

“局部共振”现象的理论解释

基于文献［1］描述的局部共振现象，以半波长夹心换能器与半波长圆锥形变幅杯组成的驱动系统，代替文献［1］中以磁致伸缩换能器与锥形变幅杯组成的驱动系统，计算了不同直径与长度的工具杆与驱动系统组成的振动系统的共振频率与速度增益，井与工具杆按固定-自由方式单独谐振的共振频率进行比较，给出了两者某些共振频率接近的典型例子．以全谐振的观点解释了文献［1］的实验结果．     

具有大指向性开角及高发射电压响应的发射换能器

应用复合变幅杆及夹心式换能器结构,研制了一种指向性开角较大且发射电压响应较高的发射换能器。应用有限元方法对换能器的工作频率,发射电压响应及指向性进行了理论计算。并与实验结果进行了比较,结果较吻合。本文研制的换能器工作频率为75.6kHz,发射电压响应级达到1 56dB(基准值1V/μPa),-3dB发射指向性开角100°     

换能器前辐射头与轴向相平行方向的弯曲振动

复合棒型换能器前面的变截面组件在工作时常伴有弯曲振动现象，这在一定程度上会影响换能器的工作性能；利用复合棒型换能器的纵向振动基频与前辐射头弯曲振动的恰当耦合，可展宽换能器的频带。本文用有限元法，研究了前辐射头在声换能器组成中的弯曲振动问题，与测试结果相吻合。