基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

检测发动机叶片的相控阵超声换能器设计

相控阵超声检测技术能够为发动机叶片表面裂纹的检测提供方法。设计并制作了满足检测要求的带有楔块的相控阵超声换能器,该换能器包含阵元和楔块,其中阵元为线阵,个数为32,中心频率为5MHz,阵元宽度为0.3mm,阵元间距为0.1mm;楔块与叶片的表面完全耦合。采用有限元法对相控阵超声换能器和楔块的设计理论进行可行性验证。同时,构建相控阵超声检测系统,对叶片试样进行检测试验,试验结果表明,设计的带楔块的线阵换能器能实现对试样表面裂纹缺陷的检测。     

聚焦超声换能器的研究现状与发展

超声以其无创性在生物医学及工业无损检测等领域备受关注,超声换能器作为实现超声应用的关键载体,需具备高的空间分辨率和特定的声场分布。常见的单阵元换能器需通过设计优化来满足上述需求,聚焦是最直接且有效的工艺方法。针对不同类型、不同工艺研制的超声换能器,提出了多种聚焦工艺,以实现换能器性能优化。     

线形超声相控换能器阵列的参数优化

线形超声相控阵换能器的参数直接影响着检测系统的性能和制作成本,其声场特性是能否获得并有效利用被检测部位或区域回波信息的决定因素,也是设计换能器阵的主要依据.从建立线形相控阵换能器辐射声场的数学模型出发,研究了不同阵列参数对波束指向性和偏转性的影响,进而给出了相控阵列优化设计中一些重要的规律.     

一种超声针灸换能器设计

一种超声针灸换能器的设计方法,它将普通凹型聚焦换能器与平凸声透镜组合,使换能器发出的聚焦超声波能量在透镜平面和换能器外球面之间产生多次反射,每次只能有一小部分能量射出,经过不同反射次数后出射的聚焦超声波聚焦在声轴线的不同位置,通过选择反射材料的声速和换能器的半径,就可从在换能器输出面后得到细长的声压分布,声场检测结果与设计结果符合得很好,临床实验表明,这种换能器比其他类型的传统换能器更易使患者产生得气的感觉.     

本刊"病例讨论"栏目征稿

主要研究了高强度聚焦声场及其检测装置.首先从理论角度分析了高强度聚焦超声(HIFU)换能器的声场特性,然后在Matlab软件中,对小振幅条件下的聚焦声场作了计算机仿真.最后理论结合实践,设计并实现了一套具有实用价值的、基于计算机采集与控制的聚焦声场三维自动检测系统,并介绍了相关软、硬件的实现过程.     

声表面波倾斜型器件和技术

雷达中用得最普遍的线性调频声表面波器件一般都是采用共线型换能器结构,这类器件在时域上有菲涅尔波纹和指间反射,如果不加以补偿,势必使压缩脉冲的旁瓣恶化.本文介绍倾斜型换能器和倾斜型反射阵列结构,它们能使指间反射和菲涅尔波纹减到最小.利用倾斜换能器结构制作的宽带铌酸锂器件和窄带石英器件,都可以得到平坦的功率响应,倾斜阵列的加权也很容易实现.制作在铌酸锣上的一对匹配了的脉压线得到了—37分贝的时间旁瓣.本文介绍了铌酸锂和石英倾斜换能器的等效电路模型.导出了换能器孔径的设计方程式,还提出了倾斜反射阵列相关器的设计以及第一个这种器件的实验结果.     

声透镜指向性换能器研究

该文利用声学透镜使声波能量聚焦,实现小尺寸换能器窄波束声辐射。利用有限元方法分别建立了单凹面声透镜及双凹面声透镜仿真模型,优化了声透镜结构参数,设计并制作了双凹面声透镜指向性换能器,并在消声水池内对换能器样机和声透镜进行了性能测试。换能器样机辐射面积直径?120 mm,设置声透镜后,提高发送电压响应级4 dB,发射指向性-3 dB波束开角由76°变为约30°(@10 kHz),与仿真计算结果相符。实验结果表明,声透镜有效减小了换能器发射波束宽度,提高了换能器主瓣发送电压响应,验证了双凹面声透镜对优化换能器指向性的效果。     

采用奇偶函数设计的声表面波电视中频滤波器

本文介绍了用奇偶函数设计的声表面波电视中频滤波器.该器件由一个输入变迹换能器和一个输出等指长均匀换能器组成.报导了在同一个换能器上实现非对称频响的一种新方法.这种设计简单而又灵活,加权换能器具有周期相等的叉指结构易于制作,并且每条电极的幅度分别加权恰好保留了双电极结构的优点.最后给出了器件的理论和实验结果.     

电磁式冲击波发生器的研究

设计并制作了一种电磁式冲击波发生器,该发生器包括激励源和换能器两部分。分析了激励源及换能器的工作原理;对换能器振动系统的基频频率进行测量,依据周边嵌定振动板的基频与各次泛频的关系得到换能器振动系统的各次泛频;换能器在较高频率振动时,还应具有足够的电声转换效率和较高的输出功率,采用得到的振动系统的各次泛频作为机电耦合的匹配频率来满足这一要求。检测结果表明,设计制作的电磁式冲击波发生器达到预期设计要求。     

聚焦超声换能器的仿真与性能分析

高频声透镜聚焦超声换能器在电子器件评估与检测、材料微观机械性能表征、生物医学成像、细胞操控等方面具有重要的应用。结构参数是影响其性能的主要因素之一。该文通过有限元法对基于声透镜结构的高频聚焦超声换能器进行仿真模拟,分析了声透镜的开孔角度对该类换能器聚焦区域声压模式、横向分辨率、-6 dB景深等关键性能参数的影响。仿真结果表明,换能器的焦距和横向分辨率与理论计算结果接近。随着声透镜开孔角度的增大,换能器的横向分辨力随之提高,焦点处声压级逐渐增大,-6 dB景深逐渐下降。这为声透镜聚焦超声换能器的优化设计提供了一定的技术基础。     

基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。     

压电空气耦合超声换能器制备优化及实验验证

空气耦合超声换能器作为一种无损检测(NDT)的重要设备,具有广阔应用前景,但由于压电元件与空气声阻抗失配导致低带宽(BW)、低灵敏度(SNS)及高双程插入损耗等缺陷而阻碍其应用。该文对空气耦合超声换能器制备工艺进行优化,使用COMSOL软件模拟了压电元件的尺寸设计。同时通过采用1-3型压电复合元件与优化环氧树脂+空心玻璃微珠匹配层调控压电元件与空气的声阻抗,制备了工作频率400 kHz的空气耦合换能器。在工作频率时,该换能器的厚度振动模态较纯,带宽较宽,灵敏度与双程插入损耗为-38 dB。结果表明,采用该文自研工艺制备的空气耦合超声换能器具有良好的性能与巨大应用潜力。     

基于高压电性PMNT陶瓷的无损检测高频超声换能器

Sm掺杂Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃0.30PbTiO₃(PMN0.30PT)陶瓷具有与PMN0.30PT单晶相当的超高压电响应(d33约为1 300 pC/N),但比压电单晶具有更高的一致性和更低的成本。该文针对高频超声无损检测的工业化应用,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷设计并制作了中心频率大于30.5 MHz的高频超声换能器,利用超声脉冲回波法进行了换能器的性能表征,并测试了其声场。针对小型塑料零部件的微结构,利用所制备的高频超声换能器进行了超声成像。结果表明,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷的高频超声换能器具有优异的成像性能,适合于高频超声无损检测成像的工业化制备。     

复频聚焦超声压电换能器声场及频谱的研究

研制了一种新型复频变超声换能器,并从理论上计算了辐射声压在轴向上的分布曲线,进而确定了焦区位置,这与实验所得结果符合得较好。文章还对换能器在水中焦区辐射声场的频谱进行了研究,观测到了两个原波。和频波,差频波及倍频波,证实了声散射声效应的存在。     

压电超声换能器的阻抗匹配分析

介绍了压电超声换能器在串、并联谐振时的等效电路,并对换能器工作在两种谐振频率时的实时跟踪和工作性能进行了详细分析,通过对换能器的外部LC串联匹配分析和相应的阻抗匹配变换,提出了压电超声换能器在并联谐振角频率附近,具有很好的功率自动调节性能。     

Advanced process characterization for 125 kHz wire bonder ultrasonic transducers

A high frequency ultrasonic transducer for wire bonding is conceived, designed, prototyped, tested and industrially produced. The influence of each feature of the ultrasonic transducer design, such as constituent material, amplifier geometry, mounting flange, capillary fixing, on the wire bonding process results is clearly identified and carefully analyzed through thorough process tests. The assembly and aging characteristics of the transducers are measured and the scattering of the vibration properties in the mass production is statistically quantified by laser interferometer measurements and compared with that of conventional horns. The transducer is mounted on the wire bonder with a flange whose special geometry is calculated by means of FEM simulations and patented. This flange allows the mechanical stiffness of the coupling transducer-wire bonder to be dramatically increased and the parasitic mechanical dynamical vibrations at the horn tip to be significantly reduced. Process tests show that the reduction in mechanical vibrations obtained in this way allows a wire bonder scarcely capable normally to attain the 80 /spl mu/m fine pitch process, to perform easily the 60 /spl mu/m fine pitch process. A beneficial impact of the mechanical coupling horn-wire bonder on the process performance is ascertained. The use of titanium as horn material, characterized by a low thermal expansion coefficient, is proven by process tests to be effective in improving the placement accuracy of the wire bonder. The high vibration frequency of the transducer (125 kHz) is proven by process tests to be effective in improving the ball roundness and the fine pitch wire bonding capabilities of the wire bonder and in decreasing the minimum wire bonding temperature and the applied bond force. The new approach to characterize the process performance of new ultrasonic transducer designs is of general importance for wire bonding technology.     

超声减摩用压电换能器阻抗匹配的试验研究

对超声减摩特性已进行了一些研究，实验结果表明，当超声振动的振幅越大超声振动的减摩性越好。因此，要使减摩效果达到最好，应使压电振子在谐振点附近工作，使其振幅达到最大。该文讨论了压电换能器的各种匹配电路及其匹配关系并进行了相关实验；结果表明，选择合适的匹配方法，能有效提高压电换能器的性能．     

高效率压电陶瓷超声推挤加工装置研究

针对波导管内壁的加工,提出了波导内腔超声推挤原理和装置,采用了具有频率自动跟踪系统的超声波发生器,自行设计了用于波导内腔超声推挤的压电陶瓷换能器,并设计给出了变幅杆--推刀振动子系统的谐振频率、位移节点、放大倍数等计算公式,测出了声学系统的电导--电纳特性,并进行了工艺试验,探讨了超声推挤过程.     

超声调制声频定向传播性能研究

通过实验,对基于超声调制的声频定向传播性能进行研究.利用调幅技术将音频信号调制成超声波载波信号并发出,由于空气中的非线性作用,可产生具有强指向性的可听声音.该文构建了一超声调制模拟声频信号定向传播系统,并设计了指向性实验测试装置.应用该系统,对不同频率、不同距离的解调可听声频信号在传输过程中的变化特征及其指向性进行了实验和分析.结果表明,随着声频信号的频率提高指向性增强,距离增加指向性变差.