影响超声换能器阵指向性的几个关键因素研究

在声频定向参量阵发射系统中,需采用若干个超声换能器阵元组成发射阵列,换能器阵元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生重大影响.该文分别从单个阵元的指向性和不同形状的换能器阵列的指向性两方面进行了研究.仿真试验结果表明,对于单个换能器阵元,随着其尺寸大于波长,换能器呈现愈强的指向性;对于换能器阵列,面积相当、换能器个数相同的矩形换能器阵指向性优于圆形换能器阵,增加换能器阵列的阵元个数有利于抑制旁瓣,提高其指向性.     

非理想条件下换能器阵列指向性研究

该文针对非理想条件下换能器阵列指向性设计问题,建立了理论计算模型,并对呈正态分布和泊松分布的阵元振速及相位对换能器阵列三维指向性的影响规律进行了研究,通过仿真分析发现:非理想条件下换能器阵元性能的不一致性对阵列指向性的影响主要体现在指向性角和指向性三维对称分布两个方面,频率越低,影响越大;不同分布规律的阵元振速及相位对换能器阵列指向性的影响有差异,即其离散度越大影响越显著。该文提出的这种非理想条件下换能器阵列指向性的评估与分析方法可应用于指导换能器阵列指向性设计及大批量生产时换能器阵列指向性参数控制中,兼具理论指导意义与实际工程应用价值。     

换能器阵列形式对指向性的影响

针对声波定向换能器阵列形式对指向性的影响问题,该文根据声波叠加原理,从理论上推导了圆形活塞换能器阵的三维指向性计算公式。在此基础上,利用该理论公式,对24个压电换能器阵元分别布为4×6阵列、5×5-1阵列、3×8阵列、2×12阵列的指向性进行了分析,发现不同阵列形式三维指向性存在明显差异;方阵在各方向上指向性近似相同,而长方形阵则随长宽比的增大,在长、宽方向上的指向性差异增大。     

参量阵扬声器系统的超声发射阵指向性研究

在参量阵扬声器系统中,需采用若干个压电陶瓷超声换能器单元组成换能器发射阵,换能器单元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生影响。通过改变换能器数目及之间的相对距离,模拟了超声发射阵的空间指向性。与实测结果进行了比较,验证了在设计超声发射阵列时,此模拟方法的可靠性和实用性。     

阵元失效对超声阵列换能器的影响及优化研究

超声阵列换能器单个或多个阵元的振动效率、几何尺寸等参数的改变,会影响整个阵列的声场分布等性能参数,降低超声检测的分辨率及相应的检测效果.基于阵列换能器声压分布理论,利用自适应算法,从阵元激励的角度,探讨阵列超声换能器阵元激励的优化方法,消除阵元失效的影响.研究结果表明,利用声场分布空间中有限数量的优化参考点,经过对激励参数的优化,可以使有阵元失效阵列的整个声场分布、指向性及聚焦特性等性能指标与标准无阵元失效阵列的基本一致,达到期望的标准声场分布的参数指标,大大降低超声检测设备的应用成本,提高检测效果.     

阵元损坏对换能器阵指向性的影响研究

针对阵元损坏造成超声换能器阵指向性变化的问题,该文从理论上推导了圆形活塞换能器平面阵指向性计算公式,并以之对换能器损坏后指向性变化情况进行了分析.研究表明,圆环形阵列中心装置处换能器损坏对指向性的影响远大于圆周上换能器损坏造成的影响;换能器损坏后,并不是每个定向面内的指向性都变差,但其总体指向性无疑会变差.     

压电MEMS超声换能器阵列声场研究

研究了一种基于微电子和微机械加工技术的六边形压电超声换能器阵列。依据活塞声源辐射声场特性,采用瑞利积分法计算了方形膜声压及指向性函数;运用惠更斯原理,仿真模拟了阵列远场声压分布。理论分析了阵元边长、阵元中心间距和阵元数目等结构参数对阵列波束宽度、方向锐度角和旁瓣级的影响。结果表明,该阵列模型不仅能完全消除栅瓣,有效抑制旁瓣,减小主瓣宽度,且在低频(约10kHz量级)范围有很高的指向性。通过优化阵列参数,可获得最佳的声压分布,进而为阵列设计和声场分析提供理论参考。     

超声调制的声频定向传输指向性分析

音频信号的指向性要求是声频定向传输系统的根本要求。使用单个超声波换能器很难达到指向性要求,需要使用超声波换能器阵列。超声换能器阵列的参数性质在一定程度上决定了声频定向传输的指向性。本文通过详细的理论推导与计算,分析了影响超声调制的声频定向传输指向性的相关参数。通过分析计算得到,声频定向传输指向性与超声波换能器阵列排列形式、换能器阵列中各个振元的间距、振元个数以及载波频率等有关。在设计声频定向传输系统时需要结合实际要求,综合考虑定向传输的指向性和传输效率选择载波频率和设计超声波换能器阵列。     

超声调制的声频定向传输指向性分析

音频信号的指向性要求是声频定向传输系统的根本要求。使用单个超声波换能器很难达到指向性要求,需要使用超声波换能器阵列。超声换能器阵列的参数性质在一定程度上决定了声频定向传输的指向性。本文通过详细的理论推导与计算,分析了影响超声调制的声频定向传输指向性的相关参数。通过分析计算得到,声频定向传输指向性与超声波换能器阵列排列形式、换能器阵列中各个振元的间距、振元个数以及载波频率等有关。在设计声频定向传输系统时需要结合实际要求,综合考虑定向传输的指向性和传输效率选择载波频率和设计超声波换能器阵列。     

二维稀疏相控阵声场优化及阵元故障影响分析

针对二维稀疏超声相控阵声场分布中的栅瓣和旁瓣问题,推导了二维稀疏超声相控阵的指向性公式,并利用发射阵列和接收阵列交错分布的方式消除栅瓣及抑制旁瓣,从而优化声场特性,优化后横向和侧向扫描范围由30°扩大到60°。建立了优化后阵列声场指向性与损坏阵元位置的函数关系式。声场指向性仿真结果表明,距阵列中心越近的阵元损坏时旁瓣升高越多,单个阵元损坏导致一级旁瓣最多升高20dB,主瓣下降约6dB,且与损坏阵元位置无关;相同位置的发射阵列和接收阵列阵元同时损坏时,对声场特性影响达到最大。     

一种新型的参量阵扬声器阵列设计与优化

超声传感器阵列指向性决定了参量阵扬声器再现音频指向性的性能.提高超声发射阵的指向性也是实现高指向性低频声波的关键技术之一.基于阵列指向性基本理论及与线列阵组合平面阵进行分析比较,提出了一种球面六边形阵列.仿真试验结果表明,球面六边形阵列扬声器不仅完全消除栅瓣,主瓣宽度也更窄.且采用改进的遗传算法通过幅度加权优化该阵列使其旁瓣级低于-20 dB,进一步优化了指向性性能.     

超声相控阵技术中的声场仿真

从单个矩形压电晶片的辐射声场表达式出发,定性分析了主要因素对声压强度及指向性的影响,提出了最小化主瓣及抑制栅瓣的具体方法。以16晶片相控阵探头为例,推导了叠加声场的表达式,分析了合成声压与焦点和换能器距离的关系。仿真并讨论相控阵探头晶片单元个数、晶片间距等因素对合成声束质量的影响,仿真结果与理论分析相吻合,为矩形相控阵探头声场评价及高性能相控阵探头的制作提供了参考。     

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.     

声束扬声器的声频定向换能器阵列指向性研究

利用空气中超声波非线性传播效应制作一种可产生高指向性可听声的新型声束扬声器。以聚偏氟乙烯(PVDF)膜作为声频定向换能器的发声部件,根据惠更斯原理分析、讨论了声束扬声器单个换能器及换能器阵列的指向性,并指出当无法使点声源间的间距小于或等于声波波长的1/2时,可以通过增加点声源的个数来获得高指向性声波,使旁瓣的幅值得到有效抑制。     

曲面超声换能器近声场指向性研究

通过结合物理声学原理推导出曲面结构及其等效动态相控阵列超声换能器所形成的近声场分布,并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下,对比于平面结构,二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦,同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳,旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。最后给出了在曲面阵列优化设计方面一些有价值的规律。