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…     

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。     

偏置磁场强度对交叉线圈式扭转导波换能器换能效率的影响

交叉线圈式带状磁致伸缩扭转导波换能器偏置磁场强度直接影响换能器换能效率,为获得较佳的检测效果,需要研究偏置磁场强度对该换能器换能效率的影响。首先,从磁致伸缩效应出发,分析交叉线圈式带状磁致伸缩扭转导波换能器的工作原理。其次,在模态验证实验的基础上,分别对激励和接收换能器换能过程中偏置磁场的作用进行研究。实验结果表明随着偏置磁场强度的增大激励端和接收端换能器换能效率均先增大后减小。最后进行缺陷检测实验,当激励端和接收端均选择最佳换能区域时,对比模态验证实验,缺陷信号明显增大。该研究结果可为换能器的现场应用提供技术支持。     

纵向换能器宽带研究设计进展

复合棒换能器因其结构简单,性能可靠等优点在声呐系统中占有重要的位置。随着新功能材料、新理论的出现和发展,各种以复合棒换能器为基础衍生出的纵向换能器不断研制出来,在科研、军事领域得到广泛应用。了解、掌握这些换能器的工作原理对相关工作者不无裨益。介绍了纵向换能器的基本结构、工作模式、研究设计方法、及多种宽带实现思路和相应换能器具有的工作特性等。纵向换能器的多样设计不仅扩展了工作频率范围,也满足了许多不同的应用目的。     

Lamb波电磁超声换能器三维仿真研究

为提高电磁超声Lamb波换能器的换能效率,该文以铁磁性材料钢板为检测对象,对换能器进行建模并进行一系列的仿真研究。首先,使用Comsol仿真软件建立电磁超声Lamb波换能器仿真模型,对于换能器中的蛇形线圈激励电流参数、蛇形线圈几何及结构参数、方形永磁体几何参数对换能效率的影响进行仿真研究。结果表明,采用蛇形线圈和方形磁铁组成电磁超声Lamb换能器时,在所选参数范围内:对于线圈,增大激励电流幅值、线圈间距及线圈回折次数,减小线圈截面积、提离距离以及脉冲个数可以提高换能效率;对于永磁体,增大宽度和高度可以提高换能器效率,但是最终会趋于饱和状态。     

新型圆管换能器预应力分析

大功率圆管换能器在清洗、除垢、萃取等领域中有着广泛的应用。分析了一种新型圆管换能器,通过热胀冷缩原理给换能器施加预应力,充分发挥压电陶瓷的机械性能,达到大功率辐射要求。通过有限元仿真软件ANSYS对换能器的预应力进行仿真分析,着重分析了金属管材料、管壁厚度以及温度差与热应力的关系,根据优化结果选择合适的材料、尺寸制作出换能器初样品,换能器测试结果一致性较好。     

SH电磁超声换能器优化设计及粘接强度测量

电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)使用时无需耦合剂，可以便捷地应用于严苛工况下结构的超声检测。但由于EMAT复杂的多物理场换能机理，通常存在换能效率低，接收信号信噪比小等缺点。针对上述问题，文章开展了线圈宽度、线圈间距及磁致伸缩贴片等参数对EMAT换能效率的影响研究，优化设计了SH电磁超声换能器。实验结果表明，一定厚度的磁致伸缩贴片对EMAT的换能效率有较明显的提高。基于SH0导波对界面变化的敏感性，采用优化设计的EMAT激发SH0导波，对固化温度等因素引起的多层铝板弱粘接结构件进行粘接性能的检测，实验测得的粘接强度与结构拉伸强度的变化趋势一致，表明优化后的EMAT可以适用于粘接结构状态的检测。     

高频宽带换能器多匹配层研究

在水声应用中,高频换能器往往需要较宽的工作带宽,以获得更多的目标信息。文章首先建立了等效电路模型,利用粒子群算法对匹配层材料和厚度进行初步选定,使得换能器具有最宽的工作频带;其次,通过有限元方法对匹配层换能器的导纳和发射电压响应进行分析计算;最后,在理论分析的基础上成功制得三匹配层高频宽带换能器,其工作频段约为150～430 kHz,相对带宽为93%,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明,三匹配层设计方案可以有效拓宽高频换能器的工作频段。     

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。     

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。     

细菌视紫红质在生物传感器中的应用进展

生物传感器是生物敏感材料、理化换能器与电信号放大装置等多学科交叉的综合集成技术装置.典型的生物传感器以特异性感知的生物活性材料作为敏感元件,结合基于微电子器件的物理化学换能器和调理电路,实现生物敏感信息的电信号转换及放大.换能器的灵敏度、抗干扰能力等因素直接影响生物传感器的性能.从嗜盐菌中提取的细菌视紫红质是一种具有良好光敏特性的生物材料,可直接将光信号转化成电信号,从而实现将敏感元件和换能器合二为一的功能,已广泛应用于多种生物传感器中.细菌视紫红质的感光灵敏度和稳定性适用于开发具有颜色灵敏度的光传感器,最早的应用方向是人工视网膜;其光敏感和换能一体化特性可实现使用单个传感元件进行光学运动检测的功能,应用可扩展到运动传感领域.除了在视觉传感领域的应用,细菌视紫红质在病原体检测、水体pH检测、细胞膜电位检测等领域均表现出良好的灵敏性、稳定性和特异性.其不仅在生物传感领域具有应用价值,而且为半导体传感方法的研究提供了新途径.本文在简述细菌视紫红质的质子泵和光电响应特性等基本功能的基础上,阐述了细菌视紫红质构建生物传感器的应用进展,分析了不同传感器的特点,以期为细菌视紫红质的机理及其应用研究提供参考.     

压电复合材料用于透镜式聚焦换能器的研究

为了增加聚焦换能器的带宽, 抑制其多模振动耦合现象, 提高电声转换效率, 实验采用1-3型压电复合材料代替压电陶瓷作为超声发射材料, 设计并制作了一种新型的1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器。通过频率特性的对比研究, 证明了1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器不仅能增加换能器的带宽, 达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器带宽的3.13倍, 而且能明显抑制径向振动, 得到单一纯净的厚度振动模态。另外, 1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器的电声转换效率达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器的1.88倍, 为高效率聚焦超声换能器的实现提供了理论及实验基础。     

双换能器法测定管内声阻抗

驻波管法测定材料的声阻抗是一种常用和可靠的方法.但一般它要一个移动的换能器,使能测出管中的驻波比.本文是用二个换能能器,可测出管内和管端的声阻抗以及其它声传输参量.     

圆柱形拼镶发射换能器设计

介绍了一种圆柱形发射换能器的设计方法,并对制作的换能器进行测试。试验结果证明该发射换能器具有工作频带宽、发送响应高、发射声源级高、水平无指向性、垂直波束宽等特点。     

宽带压电圆管换能器的设计

0引言压电圆管型换能器具有结构简单、工作性能稳定、接收灵敏度高等优点,尤其它在水平方向不呈指向性,因此水下通讯用换能器经常采用这种类型。用作发射换能器时,主要有两种结构形势:自由溢流式和空气背衬式。溢流式圆管换能器结构形势更为简单,其最大特点是不受工作水深的限制,通过对液腔谐振峰的应用可以降低工作频率,也可以拓展工作频带,使其在低频远距离水声通讯中得     

超声和水声用压电复合材料的研究进展

压电复合材料相比普通压电陶瓷具有高的灵敏度、低的声阻抗及良好的柔韧性等优点,是制作超声和水声换能器的首选材料.综述了1-3和3-3型压电复合材料的传统及最新制备工艺技术特点,概述了该研究领域的主要理论成果,重点介绍了有限元方法在压电复合材料研究中的应用,并总结了压电复合材料在超声和水声换能器件方面的研究进展.在此基础上提出了压电复合材料在器件应用中面临并亟待解决的几个问题.     

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．     

表面波电磁声换能器及电声学特性的研究

电磁超声换能器的非接触、信号重复性好等特点使得其在高温自动检测、材料特性测量等领域有着广泛的应用前景。利用电磁超声技术激发表面波更是行之有效的方法,论文着重于理论分析,对表面波电磁声换能器的物理结构、电声学特性作了较为全面和深入的研究,并用等效电路模型探讨了阻抗匹配的方法。结果表明,电磁声换能器为感性负载,不同于压电器件的容性负载特性,因此对换能器的设计和优化也有着独自的特性;随着提离距离的增大,相应的换能效率也将急剧下降;阻抗匹配对于提高信号的输出强度,抑制谐波分量有着重要的作用,而采用电容并联匹配相比串联匹配,能够提供更高的转换效率。     

U型电磁超声换能器三维仿真研究

针对U型电磁超声表面波换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)换能效率低的问题,提出一种基于三维仿真的研究方法。首先,在Maxwell软件中建立U型电磁超声无损检测激发探头三维有限元模型并进行仿真分析,研究电磁超声换能器中线圈间距、截面积以及提离距离和磁铁类型及几何参数对换能效率的影响。结果表明:在使用蛇形线圈和U型磁铁作为电磁超声表面波换能器的情况下,减小线圈的提离距离、线圈截面积,适当增大线圈间距可以提高EMAT换能效率;此外,正交方差分析法对U型永磁铁的几何参数研究表明,U型永磁铁的宽度对换能效率的影响显著。     

超声换能器的设计及性能检测

在超声键合系统中,超声换能器是键合装备的核心部分。基于等效电路法和解析法设计超声换能器,获得换能系统的基本结构尺寸：采用阻抗分析仪与多普勒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21．3Q,振动位移达到3．7μm,满足超声芯片封装的工艺要求。