热超声键合换能系统设计及性能分析

在热超声键合系统中,超声换能系统是键合装备的核心部分。基于等效电路法和解析法设计,获得换能系统的基本结构尺寸;基于有限元方法建立系统的仿真模型,获得系统的振动模态特性：采用阻抗分析仪与Doppler测振仪对系统进行性能分析。实验表明实测频率与设计频率吻合,换能系统阻抗为12．7Ω,振动位移达到3．725μm,满足超声芯片封装的工艺要求。     

1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的研究

为解决压电陶瓷聚焦换能器阻抗高、带宽窄,电声转换效率低等问题,采用新型的1-3型压电复合材料作为聚焦超声换能器材料,设计并制作了一种新型的1-3压电复合材料壳式聚焦换能器。通过对新型换能器的频率特性,电声转换效率研究后和当前应用的PZT壳式聚焦换能器进行对比,证明了1-3型压电复合材料壳式聚焦换能器的阻抗较低,相对带宽达61%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的3.39倍,以及较高的电声转换效率η为54%,是PZT压电陶瓷壳式聚焦换能器的1.68倍。将换能器实际声场检测结果与Matlab声场仿真结果进行对比研究,得出换能器具有较好的声场特性及聚焦效果。为高性能的聚焦换能器的实现提供了理论及实验基础。     

基于机械品质因数的全波压电超声换能器设计

针对全波压电超声换能器常规设计方法存在的尺寸参数较多、计算较复杂等问题,研究了一种利用机械品质因数设计全波压电超声换能器的方法。基于压电超声理论推导了全波压电超声换能器的频率方程,利用电学理论推导了全波压电超声换能器各组成部分的等效电路,利用等效电路求取了在任意等效截面处的等效机械阻抗,进而推导出全波压电超声换能器各部分尺寸参数与其机械品质因数的关系式。利用机械品质因数及频率方程的等高线图,对全波压电超声换能器各部分尺寸进行了设计计算。利用ANSYS对该尺寸全波压电超声换能器的谐振频率进行了仿真分析,结果表明所设计的全波压电超声换能器的谐振频率具有较高的精度,满足工程应用的要求。     

连铸坯尾端电磁超声横波换能机制分析

为了研究电磁超声横波检测表面温度为500℃连铸尾端的坯壳厚度的问题，分析此温度下电磁超声换能器的换能机制。本文以坯壳厚度为30 mm的Q235小钢坯为被测对象，利用有限元软件COMSOL建立圆柱形永磁体和螺旋线圈的电磁超声换能器模型。分析在钢坯表面温度为500℃时的换能机制的主导因素，在相同偏置磁场强度和激发电流下，通过对比仅考虑洛伦兹力作用下的位移振幅和洛伦兹力与磁致伸缩应力的叠加作用下的位移振幅大小来分析主导因素，并利用现有的实验条件进行实验验证，同时分析了激励频率对换能机制的影响。研究结果表明，当坯壳表面温度为500℃时，随着频率增大，横波激发换能机制由两种机制转变成洛伦兹力占主导因素，且铁磁材料降低了电磁超声换能器的激发难度，为设计电磁超声换能器系统提供理论基础。     

用于血管内超声成像的高频换能器研制

血管内超声(Intravascular Ultrasound,IVUS)成像技术可以精确评估血管腔口径、血管壁形态和其他相关血流和血管特性,在冠状动脉疾病的诊断、治疗指导和治疗后的评估中发挥着重要作用。文章设计并制备了一种用于血管内超声成像的高频超声换能器,并对换能器的电学和声学性能进行测试和表征。结果表明,所制备IVUS换能器的中心频率为38.9 MHz,-6 dB相对带宽为56.6%,在谐振频率42.3 MHz处的电阻抗为22.6Ω,在反谐振频率48.2MHz处的电阻抗为56.5Ω,有效机电耦合系数为0.48。使用该换能器进行线仿体成像实验的结果显示,换能器的纵向分辨率为54μm,横向分辨率为209μm。最后,将文中制备的超声换能器与国外同类型换能器进行比较,结果表明,该换能器的性能良好,能够满足血管内超声临床检测需求,未来有望能够突破技术瓶颈,实现国产替代。     

气体超声流量计换能器温度特性研究

温度会影响气体超声流量计换能器的性能,进而影响换能器的一致性,因此研究换能器在变温条件下性能变化有重大意义。通过测量换能器的阻抗特性,计算换能器的电声参数,研究了温度对换能器谐振频率、静态电容及动态参数的关系以及不同激励信号频率下换能器收发波形的变化。结果显示,谐振频率与温度成反比关系,变化率为-0.11 kHz/℃;静态电容与温度成正比关系,变化率为0.015 nF/℃;越远离谐振频率,换能器的输出幅值越小,暂态过程振荡现象越剧烈。研究结果表明,温度变化会引起气体超声换能器的性能发生变化,激励信号变化会引起换能器收发波形变化,进而影响超声流量计换能器的配对特性。     

超磁致伸缩超声换能器结构研究

为了实现大功率、大振幅的超声振动输出,设计了一种新型的超磁致伸缩超声换能器,换能器的形状是一个窗形的结构,用ANSYS软件对设计的超磁致伸缩换能器进行动力学分析,验证了设计方法的有效性。采用ansoft Maxwell软件分别对窗形换能器和棒形换能器进行了磁分析,发现窗形换能器的磁路是一个闭合的磁路,漏磁较少。分别对窗形换能器和棒形换能器的阻抗和振幅进行测量。结果表明,窗形换能器和棒形换能器的谐振频率基本一致,窗形换能器的阻抗比棒形换能器的阻抗要小很多,但是在相同的驱动电压下,窗形换能器的平均振幅大约是棒形换能器平均振幅的1.5倍。窗形换能器的阻抗小、结构紧促、输出振幅大,是未来超磁致伸缩换能器发展的新方向。     

治疗超声系统换能器阻抗及驱动功率测量技术

换能器是治疗超声系统的核心部件之一,其阻抗和驱动功率关系到治疗超声的安全性和有效性。文章研制出一种基于电压-电流转换电路和数据采集卡的测量装置。使用该装置测量频率为1.36 MHz和3 MHz换能器在不同幅度信号驱动下的阻抗、相位角和功率。该装置的测量结果与采用电压、电流探头及功率组件的示波器方法和商用功率计方法的测量结果进行了对比,表明本装置测量阻抗模相对误差在±2Ω以内,阻抗角相对误差在±2°以内,测量入射功率和有功功率误差小于5%。结果证明了用该装置实时测量换能器阻抗和驱动功率的可行性。     

一种可用于重油降粘的大功率超声换能器设计

基于夹心式压电换能器基本原理,设计了一种可用于井口重油降粘和高凝油降凝的工业规模应用的大功率压电超声换能器,其工作频率为16.86 kHz,输入电功率为500 W,可在100℃高温环境下长时间连续工作。首先根据工作环境需要设计了换能器模型,结合等效电路法和传输矩阵法,计算了换能器满足谐振频率条件的各部分参数;通过有限元仿真软件ANSYS对换能器进行了模态分析和谐响应分析,确定了换能器的最佳工作模态和工作频率。根据仿真模型,制作了工程样机,通过阻抗分析仪测得其实际的工作频率与仿真结果的误差为0.5%。这种大功率压电超声换能器有望在重油降粘以及超声处理工业中得到规模化应用。     

四分之一波长超声聚能器设计──指数形和双曲函数形

在超声加工应用中，超声换能器设计是相当重要的，这类超声换能器可由半波 振子和半波聚能器组成，或者如本文所介绍的，可由四分之一波长振子和四分之一 波长聚能器组成。显然，在同样工作频率下，后者具有总长度（半个波长）最小优点， 从而换能器的体积、重量也最小，这就可能获得单位重量的换能器材料的高功率输 出。本文介绍了指数形和双曲函数形四分之一波长聚能器的计算，给出了一系列表 达式和相应的计算曲线，其中包括上述两种四分之一波长聚能器的频率方程，换能 器轴向振速和应力分布以及换能器的前后振速之比。计算机辅助设计给出了所要设 计的超声换能器的结构图以及各个设计参数的计算曲线．     

TZT型换能器阻抗测试仪——产品介绍

换能器是水声设备的重要元部件之一，它的性能好坏直接影响到水声设备的总体技术性能。TZT换能器阻抗测试仪是一台专用数字式、智能型换能器阻抗测试仪，适用于一般中、低频声纳换能器阻抗测试，能在一定频率范围内完成信号频率、被测换能器阻抗及相位三种测试功能。该仪器经专业人员多年使用，认为使用方便、性能可靠，具有较高的性价比，能满足实验室、湖海试验与舰船现场维修的需要，已成为换能器科研、生产和维护不可缺少的工具之一。     

锁相环跟踪超声振动系统谐振频率的改进

锁相式频率跟踪超声发生器的频率跟踪范围较小且易出现死锁现象,通常要人为重新启动,系统才能恢复跟踪状态,在应用时会带来麻烦。根据超声振动系统的等效电路研究其阻抗特性,并通过实验绘制换能器特性曲线,分析应用CD4046跟踪串联谐振频率容易造成死锁的具体原因,提出带解锁的频率跟踪系统的方案。实验结果表明此方案有较大的跟踪调节范围与较强的适应负载变化的能力,对超声发生器的具体应用有一定的参考意义。     

用于声化学的复合换能器的研究

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成。采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器。当复合振动系统振动模式的共振频率与纵向换能器的共振频率以及正六边形薄板弯曲振动的共振频率一致时,复合振动系统具有较高的有效机电耦和系数,系统声辐射能力较强;频率的理论与测量值的误差可能是设计纵向换能器时未考虑预应力螺栓、前后盖板的形状以及横向振动的影响,材料参数的取值与实际值有误差。弯曲振动的正六边形薄板的几何尺寸大,将会增大复合振动系统声波的辐射面积,因此可以改善局部空化腐蚀问题,并且可以提高槽内声场的均匀性,从而可以提高声化学产率;实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合。     

新型换能器及声基阵的发展概况

一、导言 近年来,由于新材料及新技术的飞速发展,促使人们研制了多种新型的换能器及声基阵。新型换能器的换能机理均与能量转换材料有关,某些最有应用前途的换能器基本上取决于新材料的换能特性,因此本文将有一定数量的篇幅阐明新型换能材料的工作机理及其重要应用。近期,声学技术在不断地扩展其新的应用范围,尤其声基阵作为水声设备,超声检测仪表及超声医疗诊断器材的重要组成部分,人们设计了满足特种要求的新型基阵,本文将逐一说明其简要工作原理及应用场合。 二、几种新型换能器的机理 及使用领域 新型换能器的转换机理基本上有下列几种…     

稀土纵向式换能器

讨论了稀土纵向式换能器的设计方法和关键技术，给出了利用国产棒型稀土材料制作的换能器件品的实验结果。实验结果表明：换能器在高度不超过１５０ｍｍ情况下，机械谐振频率低于２５ｋｈｚ，声源级超过１８０．０ｄＢ。     

超声换能器的“电感-变压器”阻抗匹配模型研究

在分析超声换能器阻抗特性和电路匹配的基础上,对传统纯电感电容匹配电路模型进行电路仿真和阻抗分析,证明该模型在谐振频率附近有大范围的电抗变化,存在电路不稳定和电阻调节精度低的问题;提出"电感-变压器"阻抗匹配模型,通过电感和变压器分别调节换能器电阻和电抗,实现电路的精确匹配,以提高超声换能器阻抗匹配的精度和稳定性,并给出了理想的匹配条件和匹配参数。利用匝数可调的变压器和电感制作了超声换能器的匹配电路,对20.8 k Hz的变幅杆换能器进行了阻抗匹配的实验测量,结果证明这种"电感-变压器"阻抗匹配模型在谐振频率附近具有较小的电抗变化范围、较低的电阻变化率和较高的电抗调节精度,在超声换能器的自动阻抗匹配中具有良好的应用前景。     

一种大功率超声换能器的设计

基于超声换能器设计理论,提出一种大功率超声换能器的设计及工程计算方法。该换能器由纵向振动夹心式换能器、半波长圆锥形变幅杆和盘棒式工具头组成,根据设计参数及特点,实际制作换能器,通过测试该换能器频率f=20.24kHz,标称功率可达1500W,符合设计初衷。进而验证了这种计算方法的可行性。该换能器可用于污水处理、油田开采及生物柴油等领域的技术开发中,具有推广价值。     

医用超声功率传递标准的研制

超声功率传递标准是采用中国计量科学研究院研制的标准石英晶体换能器组成的一个标准超声源。换能器具有良好的长期稳定性,故标准超声功率能以测量射频电压的精确度来再现,在1～5MHz频率范围内,以5%的不确定度传递1～500mW的声功率。     

高频长缆水声换能器的匹配技术研究

高频换能器接长电缆后谐振频率会发生偏移,导致与工作频率相差甚远,工作点的导纳值与不接长电缆时偏差较大。这使得换能器与发射机和接收机之间的阻抗严重失配。文章对高频长缆水声换能器匹配技术进行研究,通过建立换能器等效电路模型,利用传输线理论,进行四端口匹配网络的设计和仿真,并制作一块匹配电路板。实验结果表明,系统匹配性测试与仿真计算相吻合,提高了系统机电转换效率,证明了该匹配方法的可行性和工程实用性。     

超声果蔬清洗机匹配技术的研究

以160 kHz的超声果蔬清洗机为研究对象,设计了静态匹配电路。该电路由高频变压器实现阻抗匹配,串联电感实现调谐匹配。考虑到静态匹配只适合于换能器的一个谐振点,提出通过动态模拟换能器的工作状态来设计适合的匹配电感,使换能器在一定频率范围内,都可以维持在最佳状态。此外,为保证换能器参数变化后,仍能工作良好,设计了较实用的频率跟踪电路。