压电换能器瞬态接收特性的有限元模拟研究

接收信号在压电换能器压电层中的多次反射及波形转换对超声检测的灵敏度和分辨率有重要影响,如何优化阻尼结构与材料参数是提高压电换能器接收性能的关键之一。本文用ANSYS有限元软件中的力-电耦合瞬态模拟方法,研究了压电直探头中阻尼结构的几何尺寸及声阻抗对其瞬态响应的影响,得到了压电换能器中不同时刻的弹性波场、电场分布以及输出电压响应曲线,揭示了换能器瞬态响应产生的多次反射波对其检测灵敏度和分辨率的影响。研究结果表明：通过改进的阻尼结构与材料参数对消减接收信号的多次反射,缩短余振时间具有明显的作用,也可以大大降低换能器的研发周期和成本。     

超声波风速风向仪的研制

超声波风速风向的设计仪国内少有报道.本系统采用时差法原理实现对风速风向的测量,利用单片机PIC18F4580为控制核心,构成高速计时模块,利用多重阈值比较电路,结合软件设计实现发射时间范围控制和可靠性检验.实验结果表明系统在风速30m/s以下与参照曲线拟合程度较高,实现了用时差法超声波测量风速风向的目的,具有一定实用价值.     

绝缘电阻对圆柱型换能器噪声接收灵敏度影响研究

研究装艇条件下绝缘电阻对圆柱型换能器噪声接收灵敏度的影响.推导装艇条件下圆柱型换能器噪声接收灵敏度的表达式,并进行理论计算验证.仿真结果表明,当绝缘电阻大于100 时,对圆柱型换能器噪声接收灵敏度没有影响;当绝缘电阻小于10 时,在频率低于4 时,对圆柱型换能器噪声接收灵敏度影响明显,在大于6 时,基本没有影响.     

声学参量换能器阵及其测试系统设计

根据声学参量阵原理,设计了一个3×3的九元矩形换能器阵及其测试系统,并在空气进行验证性实验;系统包括正弦信号产生电路、信号控制电路、功率放大电路以及回波信号接收电路等,辅以LabVIEW平台,实现正弦信号和脉冲控制信号的产生,发射信号时间长度控制以及功率放大,并最终驱动换能器阵;实验表明,当有85kHz和90kHz的正弦信号产生时,系统各部分均能正常工作,能够听到天花板处有声响,且回波信号中含有5kHz的频率成分,即证明换能器阵及其系统的设计均是可行的.     

基于PIC16C74的深海声纳式高度计设计

深海声纳式高度计是装备在深海探测设备上的回声测深装置.本文在对声纳测距原理及水声换能器参数进行研究分析的基础上,提出并设计了基于PICI6C74处理器芯片的传感器电路系统.该系统配合深海探测设备的水下嵌入式系统,可实时探测设备距海底高度.系统的陆地水池试验给出了良好的结果.     

基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。     

一种低旁瓣非均匀圆形活塞换能器的设计

针对水声换能器的指向性旁瓣级问题,该文提出了一种低旁瓣非均匀圆形活塞平面水声换能器。该换能器在均匀圆形活塞换能器的基础上,采取去双环分布方法去除均匀圆形活塞换能器部分压电相体积,改变换能器结构,实现了抑制旁瓣的效果。以均匀连续平面活塞阵为基础,该文推导了去双环圆形平面活塞阵指向性函数,并采用Matlab对该指向性函数求解,分析两个环的位置和宽度随换能器指向性最大旁瓣级的变化规律,根据优化结果确定了换能器的最优尺寸。通过有限元仿真分析表明,该去双环圆形活塞换能器指向性最大旁瓣级为-25.3 dB,与均匀圆形活塞换能器相比,最大旁瓣级降低了8.3 dB,实现了旁瓣抑制,有效降低了最大旁瓣级。     

用于测厚和裂纹检测的正交横波电磁超声换能器仿真分析及实验研究

垂直入射的横波在测厚时具有较高的灵敏度,但检测裂纹常需采用斜入射方式,单个换能器无法同时进行这两种检测。该文设计了一种正交横波电磁超声换能器（EMAT）,通过两个蝶形线圈在铝板中激发正交偏振的横波,提出在脉冲回波模式下利用两个线圈接收信号的声时信息和幅值差,同时进行测厚、检测裂纹并确定裂纹方向的方法。建立正交偏振EMAT三维有限元模型,对横波声场与裂纹缺陷的相互作用进行仿真,研究线圈间距、裂纹尺寸对正交声场和信号幅值差的影响。仿真和实验结果表明：正交横波EMAT通过一次检测可以同时实现测厚、裂纹检出及裂纹方向定位,为腐蚀减薄和裂纹等缺陷的在线检测提供了新方法。     

雨量传感器用压电换能器设计仿真研究

为突破压电式雨量传感器在小雨滴粒径方面的检测精度,该文提出了一种新型的换能器设计结构。 在传统换能器结构四周增加压电双晶片的外围结构,通过 ANSYS瞬态分析法分别对中心弧形结构、外围压电双晶片、压电纤维复合材料及压电纤维复合材料双晶片等结构在不同冲击位置的电压进行仿真分析,同时对压电纤维复合材料双晶片因不同水膜厚度引起的阻抗特性进行仿真分析,最后验证了仿真结构的有效性。结果表明,该研究对于新型雨量传感器提高雨滴检测的灵敏度,实现新型雨量传感器关键技术突破起到了一定支撑作用。     

基于ANSYS软件平台的水声换能器优化设计方法

水声换能器设计时需考虑结构尺寸及电声特性等因素限制,快速找到最优设计方案对设计人员非常重要。该文介绍了一种水声换能器参数化优化的设计方法。首先利用ANSYS软件APDL参数化设计语言建立换能器参数化模型,然后将换能器参数化模型导入ANSYS Workbench平台,通过设置输入变量和输出变量给出优化约束条件和优化目标,选择合适优化算法后程序自动进行优化计算,并给出最优设计结果。结果表明,该方法可在换能器参数范围内求解最优方案,同时也能大幅提高设计人员的优化效率。