压电水声换能器宽带匹配特性研究

采用等效电路变换和多物理场有限元仿真计算进行压电水声换能器宽带匹配特性研究,得出不同匹配电路下的换能器电声性能的变化规律,合理选择电感电容值和串并联方式进行调谐匹配实现双峰谐振,一方面提高换能器的工作带宽,另一方面提高工作频率范围内的发送电压响应值并减小工作频带内响应值的起伏,依照仿真数据设计制作了一款球形换能器,采用串联电感进行调谐匹配,并测试调谐匹配前后的水中电声性能,对比匹配前后换能器性能的差异。结果表明,测试结果和仿真计算吻合,运用多物理场仿真计算手段对于预测分析水声换能器电声性能具有较好的指导意义。     

A compact stripline transducer for measuring a pulsed electromagnetic field

A stripline transducer for measuring a pulsed electromagnetic field is proposed, the shape of which enables its electrical length to be increased considerably while keeping its actual dimensions small. An expression is obtained for the potential-difference distribution along the stripline transducer when it is excited by a pulsed electromagnetic field of step-shaped form. The theoretical results obtained are confirmed by experiment.Translated from Izmeritel'naya Tekhnika, No. 4, pp. 45–46, April, 1994.     

夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展

夹心式压电陶瓷超声换能器是目前大功率超声设备中应用最广的一种换能器,其在大功率工作状态下会呈现出明显的非线性特征。综述了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性方面的研究进展。首先介绍了国内外在压电陶瓷非线性方面的重要理论及实验研究成果,着重阐述了大功率领域常用的硬压电陶瓷的非线性研究工作,其次对夹心式压电陶瓷超声换能器的结构及工艺所引起的非线性进行了简要分析和论述,最后介绍了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性建模方面的研究进展。     

Modeling and fabrication of a piezoelectric vibration‐induced micro power generator

Abstract

In this paper, theoretical and experimental study on a piezoelectric vibration‐induced micro power generator that can convert mechanical vibration energy into electrical energy is presented. The mechanical‐electrical energy conversion mechanism is a voltage between two capacitors, which belong to the mechanical and the piezoelectric equivalent circuits, respectively. To verify the theoretical analysis, two clusters of transducer structures are fabricated. Piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) material is chosen to make the energy conversion transducer. The desired shape of the piezoelectric generator with its resonance frequency in accordance with the ambient vibration source is designed by finite element analysis (FEA).

Experimental results show that the maximum output voltages are generated at the first mode resonance frequencies of the structure. The overall conversion efficiency is measured to be 33%. The experimental results coincide with the theoretical analysis.     

Mathematical Analysis of Piezoelectric Sandwich Torsion Transducers Based on the d36-Effect

In the present article, we analyze a d₃₆-effect piezoelectric torsion transducer following the Saint-Venant torsion theory taking the electrical field into account. A representation of the stress function, the electric potential, and the warping function are derived and solved with finite differences. Then, the one-dimensional governing equations at the structural beam level, including the constitutive relations as well as the balance equations for the dynamics of the transducer, are presented. The axial moment and the total charge are computed as functions of the rate of twist and the applied potential difference. As an example, a cantilevered transducer is studied.     

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。     

软模板法制备高频超声换能器用1-3复合压电材料

医用高频超声成像技术广泛应用于皮肤、眼睛及血管壁等人体组织的精细结构成像。1-3复合压电材料因具有较高的机电耦合系数而成为高频超声换能器的核心材料。传统的机械切割-填充、等离子蚀刻等1-3复合材料制备方法成本高、效率低, 难以实现工业化制备。本研究提出一种新的基于软模板的高频复合材料制备方法, 在获得高机电耦合系数的同时, 实现高性能1-3复合压电材料的低成本制备。研究采用微米孔径的软模板实现PZT粉的浆料填充, 通过热压烧结获得均匀竖立的PZT陶瓷微柱阵列, 进而制备出PZT/环氧1-3复合材料。对复合材料进行系统的机电性能测试, 并利用不同方法对复合材料的微结构及其均匀性进行表征。结果表明, 软模板法可使压电微柱具有完整的相结构和较高的成分均匀性, 能够实现较高的胚体压缩率, 提高陶瓷微柱的致密度, 同时形成了微柱阵列且微柱直径可控制在70 μm。软模板法有利于在提高复合材料超声频率(30~50 MHz)的同时获得64%的高机电耦合系数, 为医用高频超声成像以及超声生物显微镜等应用提供了一种高效的1-3复合压电材料工业化制备方法。     

10MHz短脉冲超声聚焦换能器的工艺及效果

文章报导了为生物医学研究用的聚焦换能器,可以在水中发出延续时间为一个半周期,主频为10MHz的超声脉冲。文中介绍了研制工艺,并给出换能器以下的物理特性：1．用光学法拍摄的换能器在水中的聚焦过程;2．激发换能器的电脉冲波形及接收电压的波形和幅值;3．对于试样的探测结果。     

深油井超声探测用的压电陶瓷换能器的研究

超声压电陶瓷换能器可以探测5000m以下深处的地质结构和油井固实程度。用于压电陶瓷换能器的PT－PSN陶瓷性能参数是，Tc=380℃,kt=45%,εr=420,tanδ=1.5%，Qm=2200，Ec=733V/mm。经实验测量和现场试验表明，在温度高达200℃时压电陶瓷换能器的性能稳定，测量精度高。     

压电水声换能器的声学特性分析

压电水声换能器是一种既能作为驱动器又能作为传感器工作的水下探测装置。准确预测其在嘈杂水下环境中的声学特性对设计出坚固耐用的换能器是十分重要的。有限元方法对分析换能器在不同环境中的各种性能十分有效和实用。建立了一种Tonpilz型换能器的二维轴对称有限元模型,设计了基于有限元方法的程序,对其进行了动力学分析,包括模态分析和谐响应分析等,获得了一些声学特性。该程序分析的结果与ANSYS软件分析的结果显示出较好的吻合性。