基于声波测井低频换能器的理论模型研究

为研究油井管线的声传输过程,测量井底动态参数,根据实际情况设计了一种结构特殊的低频声波换能器.运用Matlab仿真软件分析及优化了前盖板的结构,建立了其理论模型,根据振动特性得到了换能器的机械等效图.加工了一套优化结构的声波换能器,在实验室条件下接收到了相应的低频声波信号,通过实验验证了理论模型的正确性.     

多对叉指换能器耦合波型的分析

本文主要目的是详细地研究使用数百对乃至千对的多对叉指换能器的表面声波谐振器,并阐述多对典型叉指换能器的理论分析结果。在多对叉指换能器中,由电极指所产生的周期扰动对叉指换能器的特性影响极大,如本文中考虑到周期扰动的影响,则根据耦合波型理论进行分析,叉指换能器中的表面波与自由表面中的前进波和后退波近似一次结合,其结果可求出叉指换能器的 S 参数和表面声波谐振器的频率特性。例如,计算了 ST 切割的晶体基片上的多对叉指换能器的输入阻抗和传输特性,表明与实验结果完全一致。而且与此结果比较,晶体基片上的多对叉指换能器中的电极指的声周期扰动对叉指换能器特性的影响是很明显的。     

微型声频定向换能器阵列指向性研究

通过对微型声频定向换能器阵列的指向性参量研究,设计并制造了基于微机电系统(MEMS)的锆钛酸铅(PZT)薄膜换能器阵列,为声频定向扬声器的发声部件微型化提供了一种可行的实现方法.从理论上分析了阵元半径、阵元个数和阵元中心间距等结构参数对指向性的影响,确定各阵元正方形排列可获得预期的圆柱形声音传播空间,阵元数量越多,声波指向性越强,并指出当阵元间距约为波长的1/2时,旁瓣抑制效果量明显.最后对微型MEMS换能器阵列实物做指向性测试,实验结果与理论分析结果基本一致.     

一种声学发射换能器的实验研究

采用有强磁化特性的磁性液体作为换能器中制动元件,实验建立一个交变的梯度磁场作用于磁性液体,通过压电陶瓷换能器检测到磁性液体振动而产生的声波,发现磁性液体在交变梯度磁场作用下有磁致伸缩效应。导出了磁性液体振动特性的动力学一般方程,揭示了交变的梯度磁场作用引起了交变的磁性液体的内压强,从而引起磁性液体的体积发生伸缩,产生机械振动,激励空气产生声波的机理。以磁性液体为制动元件可以研制较理想的大功率低频宽带声学发射换能器。     

压电晶体-固体-液体结构中IDT的体声波激励

对压电晶体－固体（层）－液体结构中叉指换能器的体声波激励效应进行了深入探讨，通过引入压电晶体－固体层界面的界面有效介电常数，研究了叉指换能器的体声波激励效应与晶体切向、电边界条件及固体层归一化厚度之间的关系。数值分析表明，电边界条件对叉指换能器体声波激励效应的影响可忽略；体声波激励效应与压电晶体切向和固体层归一化厚度密切相关；通过选择恰当的晶体切向、固体层归一化厚度和慢度，叉指换能器仅向液体中激励体声波，且可确定出最强体声波激励时的结构参数。文中所得结果，为有关液体声传感器结构的优化设计奠定了基础。     

基片开槽抑制SAW滤波器体声波的工艺研究

当叉指换能器在基片上激励声表面波模式时，同时伴随着体声波的激励。文章根据叉指换能器的激励原理，采取对压电基片背面开槽抑制叉指换能器体声波进行了实验研究。分别在ST、LT、LN压电基片上背面开槽并制作了中心频率为28MHz、70MHz、71MHz、120MHz声表面波滤波器。实验观察了体声波的抑制情况，并得出了具体实验数据。     

表面横波谐振器的仿真与设计

针对现有表面横波谐振器设计软件仿真精度不够的问题,通过引入中间栅P矩阵模拟其对声波的反射和声速的调制作用,计算不同占空比栅阵的耦合模参数,在仿真中加入了中间栅周期、分布和换能器占空比等变量,实现了对中间栅、占空比的优化设计.利用寄生电路计算模块,分析了封装寄生参数的影响,进一步提高了仿真精度.利用该法设计了中心频率315 MHz、插入损耗12 dB、品质因数7 000的谐振器.经实验证实,仿真误差小于0.5%,仿真精度满足设计需要.     

带反射栅结构的RSPUDT声表面波滤波器设计

一般的谐振型单相单向换能器(RSPUDT)滤波器结构由两个换能器组成,声波在两个换能器之间形成谐振。在换能器间加入反射栅后,由于中间反射栅的作用,增加了声波的有效传输长度,不仅提高了设计的灵活性,最关键的是使芯片尺寸减小,最多可以减小一半。该文采用了这种带反射栅结构的谐振型单相单向换能器设计技术,设计出的谐振型单相单向换能器声表面波滤波器实测结果与仿真吻合较好。     

半球形高强度聚焦超声相控换能器的仿真研究

大开口半球形相控换能器能够最大化覆盖颅骨表面,使超声能量尽可能多地穿越颅骨到达治疗靶区,从而避免颅骨处能量沉积。该文基于人体头颅结构建立三维高强度聚焦超声(HIFU)经颅传播模型,利用时域有限差分法(FDTD)结合Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程进行温度场数值仿真,首先研究小开口换能器的阵元信号激励频率、激励面积比、阵元半径和阵元数对其形成温度场的影响及变化规律,其次将这些规律应用于大开口换能器,并对其形成温度场特性进行研究。小开口换能器结果表明,在一定频率范围内,焦域中心温度随激励频率增加而升高,而54℃以上区域长轴长逐渐减小,短轴长基本无变化;激励总功率一致时,激励面积比越大,焦域中心温度越高,54℃以上区域长轴、短轴较长;使用小开口直径换能器模型筛选的阵元激励频率和激励面积比可应用于设计大开口换能器,为大开口换能器的开发提供结构参数。     

基于FPGA+ARM的压电换能器阻抗测量系统设计

该文研制了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和ARM的压电换能器阻抗测量仪,介绍了矢量伏安法的阻抗测量方法,从压电换能器的等效电路出发,分析了换能器阻抗测量方法。设计了基于FPGA的直接数字式频率合成(DDS)信号发生电路,阻抗测量前端和相敏检波电路。通过ARM系统实现了换能器等效参数计算和导纳圆显示。实验表明,该装置结构简单,测量精度可靠,满足工程应用。     

Characteristics of Microwave Acoustic Transducers for Volume Wave Excitation

Transducers which utilize acoustoelectric conversion in a piezoelectric film, plate, or surface have found wide application for generating planar volume-acoustic waves at microwave frequencies. A review is given of the electrical impedance, conversion loss, and bandwidth characteristics for piezoelectric film or plate transducers which vibrate in one-dimensional thickness extensional or shear modes. The transducer response is related to the electric and acoustic parameters that describe the transducer configuration, and experimental examples are given to illustrate the operation of typical transducer configurations. Methods for achieving low conversion loss and/or broad bandwidth are discussed and experimental examples given. Tables of bulk material constants are supplied for commonly used plate and film devices, and transducer fabrication methods are reviewed. Other types of volume wave transducers, such as those utilizing a single piezoelectric surface, a diffusion layer in a piezoelectric semiconductor, or mode conversion at a boundary are also briefly discussed.     

PVDF传感器在液体压力激波测试中的应用

针对液体压力激波具有高温、高压和高应变的特点,研制了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的液体压力激波传感器,并通过霍普金斯(Hopkinson)压杆对压电传感器的压电系数进行了精确标定,在此基础上构建了液体压力激波测试系统.在小压力幅值下,与水听器进行了对比测试试验,测试结果具有很高的吻合性,在满量程(0.1～1.0 MPa)内,与水听器偏差在5%范围内;大压力幅值下,通过对单元和多阵元液体压力激波发生器系统的测试,掌握了激励电压、脉冲频率、阵元个数等对激波的影响规律,为液体压力激波加工系统的改进和工程应用提供了试验依据.     

HIFU治疗相控换能器相位控制和驱动系统设计

多阵元相控阵列聚焦换能器具有焦距可调和可实现经颅聚焦等优势。相控阵换能器相位控制和驱动系统是决定多阵元相控换能器能否应用于临床的关键技术之一。目前,在满足电路系统输出参数要求的前提下,尽可能通过提高系统集成度缩小系统体积,并提高相位分辨率是相控阵换能器相位控制和驱动系统设计过程中的重点与难点。该文基于现场可编程门阵列(FPGA)主控芯片、高速数模转换器（DAC）、集成驱动放大器设计了高强度聚焦超声（HIFU）治疗相控阵换能器相位控制和驱动系统。实测结果表明,本系统输出的正弦信号峰 峰值为36.2 V,且输出信号中无高次谐波,相位分辨率为2 ns,延时误差小于1 ns,可满足HIFU治疗相控换能器阵元驱动及其所需相位分辨率,并使系统小型化。     

宽频带2D相控阵声束特性及脉冲场分析

二维（2D）换能阵列在横向和侧向两个方向上可实现超声波束的聚焦控制,在整个三维空间实现聚焦声束的扫描。文章通过对波束采用系统理论仿真的方法,确定优化适于医学成象的参数。研究了宽带2D阵列波束的频率特性,并对阵列阵元尺寸和阵元数对波束特性的影响效果进行了研究。最后讨论了在整个换能器孔径上阵元随机分布的一些稀疏阵列的波束特性。     

基于压电传感器的单一模态Lamb波损伤检测

基于压电传感器的板类结构兰姆(Lamb)波损伤检测,提出了一种利用单一模态Lamb波的无基准损伤检测方法,并在铝板上进行损伤检测实验。根据压电传感器的理论模型,实验中选取单一模态Lamb波检测频率,并从含损伤板的检测信号中准确识别出损伤反射回波信号,根据损伤反射回波传播时间及对应的理论群速度,计算了损伤与传感器的距离。针对理论群速度和实际群速度差异对距离计算造成的误差,提出了一种改进的计算方法,将误差降低到3%以下。结果表明,利用单一模态Lamb波可识别结构中的损伤散射信号,并可有效计算损伤与传感器的距离。     

压电器件阻抗测试系统的研制

基于压电器件的等效电路模型,利用导纳圆理论图测量压电器件阻抗特性参数及过零检测相位差测量原理,构建了一套完整的压电器件性能参数阻抗测试系统。通过单片机控制信号产生幅值固定、频率可变的正弦信号,经功率放大后驱动压电器件产生超声高频振动,并采集压电器件两端的电压、电流及相位差信号,通过串口传给上位机。上位机采用基于Labview人机交互界面,实现压电器件阻抗特性参数计算和图形显示。实验结果表明,本测试系统能测量压电器件各主要相关参数,并动态显示阻抗特性曲线,可用于压电器件的参数测试与性能评估。     

压电器件阻抗测试系统的研制

基于压电器件的等效电路模型,利用导纳圆理论图测量压电器件阻抗特性参数及过零检测相位差测量原理,构建了一套完整的压电器件性能参数阻抗测试系统。通过单片机控制信号产生幅值固定、频率可变的正弦信号,经功率放大后驱动压电器件产生超声高频振动,并采集压电器件两端的电压、电流及相位差信号,通过串口传给上位机。上位机采用基于Labview人机交互界面,实现压电器件阻抗特性参数计算和图形显示。实验结果表明,本测试系统能测量压电器件各主要相关参数,并动态显示阻抗特性曲线,可用于压电器件的参数测试与性能评估。     

压电换能器等效参数测量方法对比研究及验证

目前通过导纳圆获取压电换能器等效参数的方法较复杂,导致阻抗分析仪成本高,结构复杂,体积大及便携性差。为了更简单准确地测量压电换能器的等效参数,该文从压电换能器等效电路出发,提出了两种通过给定4个特定频率即可直接推导出换能器等效参数的方法。方法一的算法简单,只需测量4个特定频率下换能器两端电压、电流有效值;方法二需要在此基础上获得电压、电流的相位差。通过仿真分析结果表明,方法一的测量误差较大;方法二与阻抗分析仪PV520A测量结果相比其误差小于1.5%,测量精度较高。     

声波定向传输实验系统的设计与研究

文中实验系统选用超声波作为载波,通过无线电调幅技术,以单频声信号调制超声波,并经换能器发射调幅波,调幅波在传播过程中因空气的非线性作用而自解调,还原出单频声信号,从而实现声音信号的定向传播。文中说明了该实验系统的组成结构、工作原理和功能特点,实验结果表明文中所采用技术和系统,在一定条件下能较好地实现声频信号在确定方向内的传播。     

矩形晶格结构对二维压电声子晶体带隙的影响

通过计算二维压电声子晶体透射系数,研究了矩形晶格结构对声子晶体带隙的影响。为得到声子晶体的透射系数,构建叉指换能器(IDT)中间放置声子晶体的器件模型,IDT作为激发和接收端,声子晶体作为传输通道。通过有限元软件计算出模型的电学参数,分别结合IDT的混合矩阵(P矩阵)和声子晶体的散射矩阵,推导和计算出声表面波的透射系数,并找出带隙范围。该文在128°-YX铌酸锂基片上制作IDT和矩形晶格以圆孔为散射体的声子晶体。通过调整矩形晶格中y方向上晶格常数,理论和实验上均得到了2个方向上的带隙变化。结果表明,随着y方向上晶格常数的增大,x方向上的带隙逐渐分为两段,y方向上的带隙逐渐缩小,使y方向上的带隙夹在x方向两段带隙间。实验结果与计算结果较吻合。