应用于海底沉积声学原位测量的球形换能器研制

该文对标ITC-1007与ITC-1032球形换能器,为海底沉积声学测量系统研制了两款中低频球形换能器(SP32K和SP12K)。通过理论及有限元方法对换能器进行仿真设计,制作换能器样机并对其进行了性能测试。低频球形换能器(SP12K)的谐振频率约为12 kHz,工作频带为2~20 kHz,最大发射电压响应为149 dB。中频球形换能器(SP32K)的谐振频率约为32 kHz,工作频带为15~50 kHz,最大发射电压响应为149 dB。实验结果表明,研制的中低频球形换能器与国外同类产品相比,性能基本一致,满足相关声学测量需求,这为研制中低频海底沉积声学原位测量系统等声学装备提供了有力支撑。     

1-1-3型压电复合材料的水声换能器研究

应用切割灌注法制备了1 1 3型压电复合材料,并对其电学性能进行了测试。1 1 3型压电复合材料通过在压电晶柱间引入2种具有不同杨氏模量的聚合物,提高复合材料整体的机电耦合系数。经测试,其机电耦合系数达0.65。以此材料为基础制备了谐振频率为110 kHz的水声换能器,并研究了匹配层对1 1 3型压电复合材料换能器性能的影响。通过对比发现,当换能器具有匹配层结构时,可产生共振效应,能有效提高换能器的发射电压响应及接收灵敏度。     

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。     

随钻声波测井仪条带型接收换能器的有限元分析

条带型接收换能器是随钻声波测井仪的关键器件,其声学性能直接影响测量信号的质量。利用有限元法对条带型接收换能器进行设计分析。结果表明,接收换能器中的压电片采用并联接线方式接收灵敏度较高,在钻铤波隔声阻带内接收灵敏度起伏小于20 dB。在此基础上分析了压电片个数及几何尺寸对换能器接收灵敏度的影响。条带型接收换能器的压电片个数越多,压电片厚度越大,钻铤波隔声阻带范围内接收灵敏度越高,有利于提高地层波信号测量;压电片高度越大,压电片宽度越小,钻铤波通带范围内灵敏度越低,有利于降低钻铤波信号能量。数值模拟结果对随钻声波测井仪条带型接收换能器的设计及制作有良好的指导作用。     

凹桶型弯张换能器有限元计算及其实验验证

用有限元法对凹桶型弯张换能器进行了建模与分析计算。首先介绍了用有限元模型分析换能器的基本理论,然后建立了凹桶型弯张换能器的轴对称有限元模型,给定换能器的材料属性与边界条件,计算其在空气和水中的导纳曲线,及其发射电压响应。分别在空气和消声水池中对凹桶型弯张换能器的导纳曲线、谐振频率及发射电压响应进行了实验测量,理论计算结果与实验测量结果基本一致。研究结果表明,用有限元模型对凹桶型弯张换能器进行建模与计算是正确有效的,它能在换能器的设计阶段就对其性能进行预报从而指导换能器的设计,并为进一步分析换能器的声辐射特性提供了表面振动位移和振速分布。     

压电微机械超声换能器仿真与结构优化

压电微机械超声换能器(PMUT)在医疗阵列成像、手势识别、内窥成像、指纹识别等领域有着重要的应用,而灵敏度等性能是影响其成像质量的主要因素。该文对基于PMN-PT圆形压电复合振动膜的压电微机械超声换能器等效电路模型进行分析,并通过有限元法研究了压电层PMN-PT厚度对PMUT的发射电压响应、接收灵敏度的影响。仿真结果表明,当压电层厚度为4.5 μm(厚度为基底厚度的90%)时,换能器的发射电压响应级最大,达到191.6 dB,接收灵敏度级随厚度的增加基本呈线性上升趋势;当压电层厚度为5.1 μm(厚度为基底厚度的102%)时,回路增益(损耗)最大,达到-64.50 dB。     

超声耦合无线电能传输用发射换能器优化设计

针对超声耦合无线电能传输系统研究的需要,对水下超声耦合无线电能传输系统发射换能器进行选型,确定换能器类型及工作频率。基于夹心式纵振压电换能器一维设计理论对发射换能器进行优化设计,在深入分析圆锥形前盖板延展系数对换能器振速比和等效机电耦合系数影响的基础上,选取的延展系数能同时兼顾换能器振速比和等效机电耦合系数均为较优值,并据此进一步确定换能器全部结构尺寸。实际测试结果表明,试制的发射换能器实际谐振频率为38.552 kHz,等效机电耦合系数为0.149,满足实际需要。     

参量换能器收发电路设计

介绍了超声波参量换能器的工作原理,设计了一种声学参量换能器结构、超声波发射电路和声波接收电路。发射电路由正弦信号产生电路、功率放大电路和补偿电路等组成,声波接收电路由前置放大电路和带通滤波电路组成,并利用NI公司的6024E数据采集卡进行数据采集。理论分析表明,当原波信号为87 kHz时,利用该收发电路可以较好地实现参量阵差频信号的发射与接收。     

压电陶瓷三叠片复合换能器弯曲振动特性研究

采用瑞利法对固定边界条件下,三叠片圆盘弯振换能器进行理论研究,推导其谐振频率及有效机电耦合系数,通过数值计算分析换能器谐振频率及有效机电耦合系数随换能器各尺寸参数的变化规律,并与有限元模拟结果比较,结果表明,换能器结构参数对谐振频率和有效机电耦合系数有很大影响,有效机电耦合系数在其他尺寸已定的情况下随着金属片厚度、陶瓷片厚度和半径变化时,都有一个最大值,这为三叠片弯曲振动换能器的设计和进一步广泛应用提供理论支持。     

井下随钻通信系统的研究与设计

文章设计了一套电磁随钻的通信系统,对随钻测量数据进行了安全有效的传输。电磁随钻通信系统信号传输效率高,应用广泛,近年来备受关注,发展非常迅速。这个设计包括发射部分(频率发生装置、调制电路、放大电路)和接收部分(解调电路)。利用发射部分的频率发生装置测量出井下最佳传输频率是10M,在这个频率基础上,利用设计的电路,进行了实验,实验结果良好。     

高频压电复合材料球形换能器仿真设计

该文仿真设计了一种高频压电复合材料球形换能器,利用COMSOL软件建立了有限元模型,计算了换能器的声辐射特性,分析了不同压电陶瓷材料、不同基元尺寸对换能器声辐射特性的影响。仿真分析结果表明,球形高频换能器具有高频、宽带及可全向辐射声波等特性,能广泛应用于水声探测与成像发射换能器及其阵列。     

基于非完美声学黑洞的压电能量收集系统

针对高频压电振动能量回收效率低的缺点,提出了一种基于非完美声学黑洞的压电阵列式能量收集系统。首先建立了非完美声学黑洞薄板结构模型,并分析了在时域和频域条件下能量聚集特性,非完美声学黑洞结构能量集聚于中心平台的多个位置。然后建立了阵列式压电俘能系统实验模型,结构中心平台上能量聚集点的输出电压存在较大的相位差,通过引入整流电路消除此相位差,对比分析了整流前后串、并联电路的输出电压,结果表明,整流后系统输出电压能力得到了较大提高。     

高频球面宽波束水声换能器研究

该文对高频球面宽波束水声换能器的声学特性与制作工艺进行了分析和研究,制作出了满足设计要求的换能器样品,并对其声学性能参数进行了测试。实验分析结果表明,研制的高频球面宽波束换能器具有在工作频带内模态单一,高频工作时水平和垂直方向具有宽波束等特点,该型水声换能器应用于声呐系统时,可有效增加声呐系统的辐射范围。     

锥形结构超声阵列换能器研究

传统外形构造的换能器难以适应水下高速运动.因此,在头部为圆形或椭圆形的普通阵列式换能器基础上,该文设计了一种锥形结构的超声阵列式换能器,其可适用于水下高速航行器.通过有限元仿真确定了阵元尺寸与阵列构造,分析了换能器整体的声场分布,研制换能器样机并测试其电声性能.样机测试结果与仿真结果呈现出较好的一致性,换能器指向性与发...     

基于耦合模-电网络理论的S型SAW器件特性分析

为克服马松(Mason)等效电路模型指对级联及常用电路仿真软件处理复阻抗的繁杂性,提出了应用耦合模理论和电网络理论分析声表面波(SAW)器件特性的方法,它首先应用耦合模理论获得叉指换能器SAW粒子运动速度和应力的关系式,由此得到叉指换能器的等效电路模型,并根据耦合模理论计算等效电路模型中各电参量值,然后应用电路网络理论推导等效电路模型各节点电压方程,结合自行研制的S型SAW器件尺寸,仿真得到S型SAW器件的频率特性,与实验得到的频率特性基本相近。