MEMS矢量水听器声压通道封装技术研究

为了更全面地获取水下声场信息,微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）矢量水听器常需集成声压敏感通道来提升单个换能器性能,MEMS矢量水听器的敏感芯片采用的是MEMS工艺制备完成,其封装必须与水隔离,传统的橡胶灌封方式会破坏MEMS敏感芯片的机电性能,故MEMS敏感芯片常采用油封的方式,如硅油/蓖麻油。相反,对于MEMS矢量水听器声压通道的封装技术却不尽相同。文章选择给定尺寸的沿径向极化的压电陶瓷圆环,针对低频5～2 000 Hz的探测频带需求,对比了两种不同封装形式,即聚氨酯密封和硅油作为耦合剂的聚氨酯密封,对声压通道接收灵敏度的影响规律。首先,建立了四种仿真模型,分析了不同形式下,接收灵敏度的变化规律。接着,设计了聚氨酯灌封和硅油耦合聚氨酯密封两种封装结构,并制备了实物。最后在驻波管中对两种封装形式的压电陶瓷圆环进行了接收灵敏度标定。结果显示,聚氨酯灌封和硅油耦合聚氨酯密封对声压通道的接收灵敏度特性影响不大,实操过程中要注意两种方式的工艺复杂度区别。     

小型隔膜真空泵橡胶隔膜的ANSYS有限元分析

分析橡胶隔膜在实际工作中的情况,建立隔膜二维轴对称结构隔膜有限元模型和三维模型,利用ANSYS有限元分析软件对隔膜真空泵橡胶隔膜进行分析计算,从理论力学模型分析计算和实验验证两种方法对仿真分析结果进行验证,并利用分析结果对橡胶隔膜的结构设计进行优化。     

1-3型压电复合材料圆柱形水听器

通过对圆柱形水听器在低频接收时的静态理论分析,得到了 1－ 3型压电复合材料径向极化圆柱形水听器的自由场电压接收灵敏度计算公式;分析了不同背衬材料及不同厚度的复合材料对圆柱形水听器灵敏度的影响;实测了 1－ 3型压电复合材料圆柱形水听器的自由场电压接收灵敏度。 试验值与理论计算值基本吻合。     

1—3型压电复合材料圆柱形水听器

通过对圆柱形水听器在低频接收时的静态理论分析,得到了1－3型压电复合材料径向极化圆柱形水听器的自由场电压接收灵敏度计算公式;分析了不同背衬材料及不同厚度的复合材料对圆柱形水听器灵敏度的影响;实测了1－3型压电复合材料圆柱形水听器的自由场电压接收灵敏度。试验值与理论计算值基本吻合。     

中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构设计

针对同振型矢量水听器后期悬挂金属弹簧或橡胶绳给使用者带来不便的问题,提出一种中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构的设计方案。通过矢量水听器振动系统对其声学特性进行分析,通过ANSYS有限元软件,利用Mooney-Rivlin理论对圆环形橡胶弹簧在压缩情况下的水平剪切刚度进行仿真计算,分析了Rivlin参数对橡胶弹簧剪切刚度的影响,并研制出矢量水听器样机。在1000~4000 Hz频率范围内,对矢量水听器进行了测试,并给出了测试结果。在1 k Hz时,声压灵敏度为-195 d B,指向性凹点深度大于20 d B。测试结果表明,此种设计免除了反复悬挂金属弹簧或橡胶绳带来的负面效应。     

考虑弯曲效应的弯管高精确度模态分析

基于塑性理论和有限元软件ANSYS,考虑弯曲效应对各种不同材料参数、不同直径、不同弯曲半径和弯曲角度的弯管固有频率和振型的影响,建立了高精度弯管有限元模型进行模态分析,并利用实验结果进行验证.研究表明,考虑弯曲效应后的有限元模型计算结果更接近实验结果,特别是第一阶固有频率和振型的精度得到了提高,说明应用该模型可以得到高精度的弯管模态.     

钹型压电传感器的有限元设计

钹型压电传感器是由美国宾夕法尼亚州州立大学发明的一种新型压电传感器,是一种压电陶瓷-金属复合体,由压电陶瓷和特定的金属结构组成.本文应用美国的有限元软件ANSYS进行钹型压电传感器的研究.在计算机中建立钹型压电传感器的有限元模型,利用ANSYS软件的压电分析功能进行分析,计算钹型传感器的谐振频率、耐压性能、接收灵敏度等电声特性.同时,还分析了的压电陶瓷圆片传感器的接收灵敏度,结果表明,钹型压电传感器与普通的压电圆片传感器相比,具有更高的灵敏度.     

弛豫铁电单晶压差水听器有限元设计

分析了[001]切型PMNT弛豫铁电单晶各向异性的压电特性,利用有限元软件对PMNT弛豫铁电单晶压差水听器进行仿真计算,设计制作了压电三叠片压差水听器。仿真与测试结果表明:[001]切型PMNT弛豫铁电单晶可近似等效为横观各向同性材料,在轴对称结构压差水听器设计中具有一定的应用优势,压差水听器的测试结果与有限元仿真结果相符。     

弯曲伸张型拖曳水听器低频接收灵敏度的计算方法及其应用

本文研究的是常用于海洋拖曳线列基阵中的接收水听器，这是一种结构上类似于弯曲伸张V换能器的新型水听器，本文根据力学原理导出了这种水听器的低频接收灵敏度的计算公式，从而提出了根据接收灵敏度要求进行该水听器工程设计的简便方法。     

一种用于声学材料测量的PVDF薄膜水听器

本文介绍一种在水池中测量声学材料声性能用的大面积透声PVDF薄膜平板水听器,给出了具体的结构设计及样品水听器的接收灵敏度和典型频率下的指向性图,并应用此水听器进行了有限面积声学材料性能测试,得到了令人满意的结果.     

Characteristics of piezoceramic and 3–3 piezocomposite hydrophones evaluated by finite element modelling

The transducer characteristics of hydrophones manufactured from porous 3–3 piezocomposites are compared with dense piezoceramic disc hydrophones using finite element modelling. Due to the complex porous structure of the 3–3 piezocomposites, a real-size 3-dimensional model was developed while a 2-dimensional axisymmetric model was constructed for the simple dense disc hydrophone. The electrical impedance and receiving sensitivity of the hydrophones in water were evaluated in the frequency range 10–100 kHz. The model results were compared with the experimental results. The sharp resonance peaks observed for the dense piezoceramic hydrophone were broadened to a large extent for porous piezocomposite hydrophones due to weaker coupling of the structure. The receiving sensitivity of piezocomposite hydrophones is found to be constant over the frequency range studied. The flat frequency response suggests that the 3–3 piezocomposites are useful for wide-band hydrophone applications.     

用二维等效电路模型研究大截面圆柱变幅杆的振动

由振动方程的近似解得到了具有大尺寸比的圆柱变幅杆的二维等效电路,用于带外载或不带外载的圆柱轴对称振动分析,以及尺寸比变化引起的频率变化评价。与有限元及一维模型进行了对比。发现该模型计算频率比一维模型更准确,与有限元模态分析相一致。进而由此确定了这些频率所对应的振动模态。计算发现轴向和周向水负载对应的圆柱振动频率接近,可用于超声变幅杆的优化。     

一种大功率稀土纵向振动换能器的研究

本文采用通用有限元软件ANSYS对一种稀土纵向换能器进行了建模，利用软件中提供的机械振动，电磁场和耦合场等功能分析了换能器的电磁特性和机械振动特性，包括几种磁路结构的比较。磁致伸缩效应的建模，换能器的纵向振动模态以及在空气中的阻抗特性。     

空间桁架梁固有振动的能量变分解析解

目前人们对空间桁架梁的振动特性研究得较少,该文首先采用Timoshenko梁的连续化模型来模拟空间桁架梁,推导得到了空间桁架梁的等代抗弯刚度和等代抗剪刚度,并采用能量变分法对空间桁架梁的固有振动进行分析,给出空间桁架梁的竖向振动频率和振型的解析解。然后采用有限元软件ANSYS对几种不同算例进行模拟,通过模态分析得到空间桁架梁的频率与振型。将能量变分法求得的频率解析解与有限元分析求得的频率数值解进行对比,结果基本上是一致的,将两种方法得到的振型对比,结果吻合良好。该文所提出的能量变分解析解可供空间桁架梁的工程设计参考。     

Finite element simulation of piezoelectric transformers

Piezoelectric transformers are nothing but ultrasonic resonators with two pairs of electrodes provided on the surface of a piezoelectric substrate in which electrical energy is carried in the mechanical form. The input and output electrodes are arranged to provide the impedance transformation, which results in the voltage transformation. As they are operated at a resonance, the electrical equivalent circuit approach has traditionally been developed in a rather empirical way and has been used for analysis and design. The present paper deals with the analysis of the piezoelectric transformers based on the three-dimensional finite element modelling. The PIEZO3D code that we have developed is modified to include the external loading conditions. The finite element approach is now available for a wide variety of the electrical boundary conditions. The equivalent circuit of lumped parameters can also be derived from the finite element method (FEM) solution if required. The simulation of the present transformers is made for the low intensity operation and compared with the experimental results. Demonstration is made for basic Rosen-type transformers in which the longitudinal mode of a plate plays an important role; in which the equivalent circuit of lumped constants has been used. However, there are many modes of vibration associated with the plate, the effect of which cannot always be ignored. In the experiment, the double resonances are sometimes observed in the vicinity of the operating frequency. The simulation demonstrates that this is due to the coupling of the longitudinal mode with the flexural mode. Thus, the simulation provides an invaluable guideline to the transformer design     

基于诺顿等效系统功率流计算的多维振动传递特性研究

结构振动传递的实质是振动能量的传递过程。功率流方法从能量的角度揭示振动传递的机理，在结构振动控制领域的作用日益突出。采用基于诺顿等效系统的方法计算功率流，具有便于与有限元分析和实验测量相结合的优点，为评价复杂实际结构的振动特性提供一条有效途径。应用该方法对一隔振系统的多维振动传递特性进行研究，通过分析多维振动形式各自传递的振动功率流，发现接受结构的柔性是振动传递的主要影响因素之一。对接受结构分别采用增加板厚和加筋两种方式进行改进，加筋方式取得了更好的减振效果，并且有利于结构的轻量化。     

High-frequency membrane hydrophone

A membrane hydrophone with a 37-μm diameter spot poled electrode has been fabricated on a 4-μm-thick film of the piezoelectric copolymer, polyvinylidene fluoride trifluoroethylene (PVDF-TrFE), and initially characterized. The hydrophone has an effective spot size of less than 100 μm, an on-membrane +7-dB gain buffer amplifier, and a -3-dB bandwidth of 150 MHz. The acoustic properties of the hydrophone were investigated with a transducer equivalent circuit model, the electric fringe fields due to poling were characterized with a finite difference electrostatic field model, and the effective spot diameters 2a₃ and 2a₆ were estimated. Measurements on the bandwidth, effective spot size, and sensitivity are presented. This hydrophone appears suitable for the characterization of both the frequency and spatial parameters of high-frequency transducers such as intravascular ultrasound (IVUS) catheter transducers operating in the 10-40 MHz range     

基于SYSNOISE的建筑模板耦合振动及声辐射特性研究

基于有限元和边界元理论的结合，利用大型有限元分析软件ANSYS和声振分析软件SYSNOISE，建立了重流体介质与半封闭结构的耦合振动声辐射模态分析模型，并采用结构有限元和流体有限元相结合，以建筑圆柱钢模板的振动声辐射为例进行模态分析、振动响应以及声辐射特性分析，得到了在流体加载下模板的耦合模态振型、结构的节点位移、结构能量等等。还利用CAE软件结果的可移植性，考虑了半封闭加筋圆柱结构内外分布不同介质时，实现了双边耦合振动声辐射分析求解。这一求解方法的实现对今后该类振动声辐射分析提供了重要的参考。     

悬索桥纵向和竖向耦合自振研究

悬索桥的振动性状中呈现纵飘振动与竖向反对称低阶振动相互耦合的特点。基于挠度理论和能量原理,研究了耦合自振的频率计算方法。首先把加劲梁的单纯纵飘看作单摆振动,得出其等代摆长和振动频率。再结合主缆的竖向反对称低阶振型下的纵向位移特点,建立考虑主缆纵向位移影响的加劲梁纵飘振动的简化计算模型,获得其势能增量的简单表达式。由哈密顿原理,推演了耦合振动频率的计算方法。通过5 座桥梁实例验证,利用该文公式获得的耦合频率和振型形状判定与有限元计算结果吻合良好,表明该文提出的计算方法实用可靠。