超声换能器的宽带阻抗匹配器研究

在功率超声领域，换能器的阻抗匹配占有相当重要的地位，但有关在较宽频带内都能适用的匹配方案尚少有报道。为满足实验室研究工作需要，我们研制了两套简易匹配装置，可分别对２０～５０ｋＨｚ和０．２～２．０ＭＨｚ频率范围内的超声换能器实现阻抗匹配。     

应用铟源的反应蒸发制备In2O3透明导电膜

本工作说明，在低压氧气氛中。应用铟源的反应蒸发很容易淀积高质量的Ｉｎ２Ｏ３透明导电膜．旦然没有使用锡杂质，但所得膜的性能可以和最好的掺锡的Ｉｎ２Ｏ３膜相比．膜电阻率达２～３×１０￣４Ω·ｃｍ，可见光透过率超过９０％，并且膜生长速率高达２１９／ｍｉｎ．文章对成膜过程作了分析，报道了膜的最佳淀积条件，对由于偏离最佳淀积参数而导致的异常膜的形成机制也进行了讨论．     

团聚型Al2_O_3·TiC系列球形复合粉末的研究

对已研制成功的Ａｌ２Ｏ３·ＴｉＯ２系列团聚型空心球状复合粉末（Ａｌ２Ｏ３＋３％ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３＋１３％ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３＋２０％ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３＋４５％ＴｉＯ２和ＴｉＯ２）进行了全面的分析和探讨。粉末的流动性均在７３～１２０ｓ／５０ｇ内，其松装密度在０．８０～１．１２ｇ／ｃｍ３内，８５％以上的粉粒为空心球状结构。用该系列粉末制备涂层，送粉速率波动小，沉积效率范围为６６％～８６％，可获得致密度高、结合性能好的系列耐磨抗蚀涂层产品。     

采用不同载气混合B_3N_3H_6原料制备B－N薄膜

采用Ｎ２、Ｈ２和Ａｒ三种载气混合的Ｂ３Ｎ３Ｈ６原料，余辉微波等离子体增强化学气相沉积ＢＮ薄膜．通过漫反射富氏变换红外光谱，Ｋｎｏｏｐ硬度和附着性划痕试验分析薄膜的结构，成分和性能．结果表明，Ｎ２和Ｈ２混合的Ｂ３Ｎ３Ｈ６原料制备的薄膜具有ｃ～ＢＮ和ｈ－ＢＮ双相组织，Ａｒ混合的Ｂ３Ｎ３Ｈ６原料具有ｈ－ＢＮ单相组织．载气直接参与Ｂ３Ｎ３Ｈ６气相合成ＢＮ的反应过程，决定薄膜的结构特征，影响薄膜的性能．     

Pb（Ni_（1／3）Nb_（2／3））O_3－PbZrO_3－PbTiO_3三

对Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３－ＰｂＺｒＯ３－ＰｂＴｉＯ３，即ｘＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－（１－ｘ）Ｐｂ（ＺｒδＴｉ１－δ）Ｏ３（０．２≤ｘ≤０．６，０．２≤δ≤０．５）三元系固溶体的压电性能进行了研究，结果表明材料压电活性较高的配方位于准同型相界（ＭＰＢ）附近，压电常数ｄ３１值可达２６０×１０－１２Ｃ／Ｎ．讨论了结构相变对压电性能的影响．     

Na2O在Al（OH）3颗粒中的赋存状态及煅烧过程的行为

Ｎａ２Ｏ是非冶金级Ａｌ２Ｏ３的重要技术指标，本文应用Ｄ／ＭＡＸ－３ＢＸ射线衍射，ＩＲ－４４０红外光谱，化学物相分析等方法研究了赋存于氧化铝水合物中的Ｎａ２Ｏ在煅烧过程中行为β－Ｎａ２Ｏ．Ａｌ２Ｏ３随温度升高而分解，最终是αＡｌ２Ｏ３与Ｎａ２Ｏ．１１Ａｌ２Ｏ３共存，氧化铝水合物的Ｎａ２Ｏ含量增加，煅烧产品的α－Ａｌ２Ｏ３含量减少，比表面降低，研究结果对生产及应用Ａｌ２Ｏ３的行业均有益。     

Al_2O_3颗粒粒径和含量对α-Al_2O_3/Cu复合镀层性能的影响

本文研究了复合电沉积法制备的α－Ａｌ２Ｏ３／Ｃｕ复合材料的性能和磨损特征，测定了Ａｌ２Ｏ３粒径在０．５～５μｍ，含量在４～１６％时Ａｌ２Ｏ３／Ｃｕ复合镀层的硬度和磨损率，用扫描电镜对磨损形貌进行了分析，并对其磨损机制进行了探讨。结果表明，镀层中硬度随Ａｌ２Ｏ３含量增加呈线性增长，且含大颗粒Ａｌ２Ｏ３镀层的硬度略高于小颗粒镀层，Ａｌ２Ｏ３颗粒含量和粒径大小对磨损率和磨损机制有显著影响。     

水声换能器微机测量系统

我们研制了一块水声换能器微机测量硬件，插在ＩＢＭ－ＰＣ／ＸＴ微机的系统扩展槽Ｉ／Ｏ通道上。其功能有：（１）可产生２００Ｈｚ～３００ＫＨｚ，脉宽０．５～１０ｍｓｅｃ，重复频率１Ｈｚ～１０Ｈｚ的脉冲调制正弦信号；（２）可产生延时时间为０．１～３０ｍｓｅｃ，选通宽度为０．１～１０ｍｓｅｃ的选通脉冲信号；（３）配合数字存贮示波器ＤＳＳ６５２１可对信号进行采集和运算，根据所编软件，该系统可对水声换能器的方向性和灵敏度进行实时自动测试。     

MSnO_3和MSn_（0．5）Zr_（0．5）O_3（M＝Sr，Ba）的水热合

本文利用水热合成方法对ＭＳｎＯ３和ＭＳｎ（０．５）Ｚｒ（０．５）Ｏ３（Ｍ＝Ｓｒ，Ｂａ）的合成进行了研究，并采用ＸＲＤ、ＳＥＭ和ＩＣＰ等方法对产物进行了表征，结果表明：在Ｍ（ＯＨ）２－ＳｎＯ２（或ＳｎＯ２＋ＺｒＯ２）－ＫＯＨ体系中，当ＫＯＨ／Ｓｎ和ＫＯＨ／（Ｓｎ＋Ｚｒ）≥３０时，２６０℃下晶化５～７天，可获得ＭＳｎＯ３和ＭＳｎ（０．５）Ｚｒ（０．５）Ｏ３纯相，在Ｍ（ＯＨ）２－（ＳｎＯ２＋ＺｒＯ２）－ＫＯＨ－Ｈ２Ｏ体系中，可通过控制介质碱度来获得ＭＳｎＯ３＋ＭＺｒＯ３混合物和ＭＳｎ（０．５）Ｚｒ（０．５）Ｏ３，并根据合成规律初步探讨了反应过程．     

3GHz射频电压基准技术改造

本文介绍了３ＧＨｚ射频电压基准技术改造的结果。由于对电桥、高频座、新型测热元件以及有关设备进行了部分改造，使该基准满足了如下技术指标：０．１～２Ｖ，１０～３０００ＭＨｚ，±（０．２５～０．７）％     

一款宽带圆柱阵研究

圆柱阵换能器具有水平全向的优势,已广泛应用在水声探测领域。文章研究了一款宽带圆柱阵,利用匹配层技术拓宽圆柱阵阵元的带宽,通过有限元仿真优化单个换能器阵元带宽、发送电压响应和阻抗等参数。同时通过仿真以阵元错位密集方式形成圆柱阵,对阵元的个数及排列方式进行仿真优化,制作了一款宽带圆柱阵并进行了测量,圆柱阵直径为400 mm,高度为435 mm,圆柱阵的工作频段为20~30 kHz,频带内起伏3 dB,最大发送电压响应为160.5 dB,圆柱阵-3 dB水平波束宽度为360°。     

高频宽带换能器研究

主要研究高频换能器的匹配层技术,通过匹配层技术拓宽换能器的频带,首先利用等效电路法分析高频匹配层换能器,其次通过Matlab仿真分析匹配层材料的密度、声速、厚度变化对换能器电声参数性能的影响,进而对其电声性能进行优化设计,最终制作出一高频宽带换能器。通过实验测得结果与仿真结果基本一致,实验测得换能器的最大发送电压响应为178dB,工作频带为260～370kHz,带内发送电压响应起伏为-3dB,300kHz时换能器指向性-3dB开角为6．5°。     

3-3连结复合压电换能器特性研究—(Ⅰ)在水中声学特性

本文介绍了3-3连结复合(PZT 与硅橡胶)压电换能器在水中的声学特性。较全面地测定了它的声学参数(包括发射导纳、发射电压响应、声场特性、换能器耦合、应电压、换能器标称带宽及电压接收灵敏度)并加以分析。该换能器有许多优点,且优于压电陶瓷。对一些不足之处也展开了讨论。     

一款高频弧形换能器

多波束图像声纳广泛应用于水下工程实施、浅海地貌测绘、蛙人和水雷等水下小目标的探测识别,高频弧形换能器是多波束图像声纳的重要组成部分,用于发射高频宽波束声波.通过理论公式计算了宽波束高频弧形换能器的指向性图,分析了指向性特征：主波束内存在连续的震荡起伏,震荡幅度由中心向两侧逐渐增大,在波束边缘处出现最大值,波束中心幅值比最大值减小1~2 dB左右.采用1-3型压电复合材料,研制了一款宽波束发射的高频弧形换能器,换能器谐振频率为440 kHz,最大发送电压响应为162 dB,-5 dB水平开角为107o,-3 dB垂直开角为26o,可应用于多波束图像声纳.     

高频宽带圆管换能器研究

压电圆管换能器是水声领域中广泛应用的换能器之一,它一般采用压电圆管的径向振动模态。利用压电圆管的径向振动模态和高阶振动模态来实现圆管的宽带发射性能。采用有限元方法对圆管换能器进行了分析,利用ANSYS软件建立圆管换能器的有限元模型,并对其进行结构优化。最终所制作换能器的径向谐振频率为47.5kHz,其工作带宽为40~80kHz,发送电压响应起伏不超过±4dB,最大发送电压响应为150dB。研究结果表明：所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,换能器实现了高频、宽带、水平无指向性的发射性能。     

Lead zirconate titanate/poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) 1-3 composites for ultrasonic transducer applications

A new procedure for preparing lead zirconate titanate (PZT)/poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) 1-3 composites with both phases piezoelectrically active is described. Sintered PZT rods are inserted into a prepoled copolymer matrix, and the composite is repoled under a lower electric field. Using this new procedure, the dipoles in the two phases are aligned in either the same or opposite directions. Composite disks, of 12.7-cm diameter and 0.33- to 0.60-mm thicknesses, have been fabricated with PZT rods of 0.8 or 1 mm diameter distributed in a square pattern with 3 mm center-to-center separation. The ceramic volume contents of the composite disks are 3.6 and 5.6%, respectively. The resonance characteristics of the composite disks consist of the resonance modes of the two constituent phases, but they are dominated by the coupled longitudinal thickness mode (H-mode) of the PZT rods. The coupled radial mode (L-mode) resonance of the PZT rods is significant only for thin disks. The observed resonance frequencies of the H- and L-modes agree well with the values calculated from the coupling theory. The thickness mode resonance of the copolymer matrix (T-mode) is present but hardly observable in thick disks. The composite disks have been fabricated into transducers with air-backing and with no front face matching layer, and their performance characteristics have been evaluated in water. The transmitting and receiving voltage responses of a PZT/P(VDF-TrFE) composite transducer are better than those of a PZT/epoxy composite transducer. The transmitting and receiving voltage responses are improved when the PZT rods and copolymer matrix are poled in opposite directions, especially when the resonance frequencies of the H- and T-modes are approximately equal. When the phases are poled in the same direction and the resonance peaks associated with the Hand T-modes just overlap, the bandwidth is improved. Using 0.33-mm thick composite disks, a transducer can be produced with three operating frequencies by poling the constituent phases in the same direction, or with two operating frequencies at equal efficiency by poling the constituent phases in opposite directions. The PZT/P(VDF-TrFE) 1-3 composite transducer, especially the one with multiple operating frequencies, should be very promising in the applications of medical ultrasonic imaging.     

一款水声通信换能器研究

随着声呐技术的迅速发展,水声通信在海洋科学研究及海洋开发中发挥着非常重要的作用,水声通信换能器是水声通信设备中负责电声转换的重要部件。研究了一款带底座的溢流圆管换能器,通过有限元仿真计算了换能器发送电压响应和方向性等参数,优化了换能器中的陶瓷元件和底座的结构尺寸,制作并测量得到一款半空间指向性的水声通信换能器,换能器的工作频段为11~23 k Hz,带内起伏为3 d B,最大发送电压响应为133 d B,-3 d B垂直开角大于180°。     

Investigation of a new wide-band transducer with piezoelectric layered ring

A type of transmitting transducer with a piezoelectric layered ring is described. It is wide band, applicable to low-frequency operation, and has horizontal nondirectivity. Theoretical analysis and structural design are both discussed. Experimental results show: (1) the flat and smooth transmitting frequency response of the experimental transducer ranges from 9 to 20 kHz with the fluctuation not exceeding +/-1 dB; (2) within this wide band the electroacoustic efficiency reaches 30%-60%; and (3) when a small signal is used as excitation, the theoretical frequency response curve coincides very well with the experimental curve.     

超声波流量计换能器系统理论分析及应用

为了使超声波流量计能够获得最佳的超声波信号,从理论上分析了超声波流量计的换能器系统,在此基础上提出了用收发电压灵敏度参数来表征换能器系统的综合发射和接收性能。采用等效网络理论,计算了超声波压电换能器的发射特性和接收特性,同时给出了收发电压灵敏度的表达式以及在流量计工作频率下换能器的最优设计准则。应用该准则设计并制作了适用于热量表的超声波换能器。实验结果表明:采用该设计理论研制的换能器系统可以使热量表在工作频率上获得最优的超声波信号,同时也证明了采用该理论设计的超声波流量计换能器系统的有效性。     

一种带障板宽波束宽带纵振动换能器

介绍了一种带障板宽波束宽带纵振动换能器。通过将纵振动换能器的纵振动模态和前盖板弯曲振动模态有效耦合来达到拓宽换能器工作频带的目的;并提出利用反声障板边界结构大幅度增大发射波束宽度的方法。利用有限元软件分析了其在水中的特性。分析结果表明,通过纵弯模态耦合方式可有效拓宽换能器的频带宽度;通过障板在纵振动换能器中的应用可有效调节纵振动换能器的波束特性,从而实现宽波束的目的。实际制作该换能器并测试了其在不同情况下的性能,测试结果表明:有限元分析结果跟实验测量结果吻合。在9.5~18 kHz的频率范围内实现了发送电压响应起伏不超过3 dB的宽带工作;在11、12、13、14 kHz,实现了120°~160°的宽波束。