水声发射换能器技术研究综述

水声发射换能器种类繁多,通常按工作频率加以区分.在低频段给出了几种工程上常用的低频大功率换能器的结构形式,并讨论了提高换能器工作极限的技术途径,同时还指出速度控制对低频声基阵的重要性.在中频段主要给出了拓展换能器工作带宽的各种结构形式及一种新的设计方法,并讨论了新材料应用及宽带匹配技术.在高频段给出了陶瓷颗粒簇匹配层换能器的等效电路,同时分析了高频换能器基阵机电一体化设计的发展趋势.结果表明,新结构、新材料、新工艺仍是推动水声发射换能器不断发展的技术途径.     

Cymbal单元的薄型低频宽带水声发射换能器设计

为了研究安装方便、便于携带的薄型低频发射换能器,使用有限元法对Cymbal换能器单元的设计结构进行了仿真分析,并将换能器单元的谐振频率与实际测量值进行了比较.将Cymbal换能器单元进行阵列,设计了一种新型的低于10 kHz薄板型水声发射换能器,对一个厚度为25 mm、辐射面积78.5 cm2的薄板发射换能器实验模型进行了测量与标定.研究结果表明,通过阵列Cymbal换能器单元构建的发射换能器是一种工作在10 kHz以下的薄型低频宽带水声换能器,其发射声源级比尺寸类似的1-3型压电复合材料换能器高20 dB.     

新型换能器技术的进展

介绍了PVDF圆柱型水听器、大面积平板PVDF水听器、钹式换能器、弛豫铁电单晶换能器、小体积低频大功率发射换能器等方面的研究进展.PVDF圆柱型水听器用灌注成型和复合膜卷绕技术制作而成,性能稳定,一致性好.大面积水听器具有能使流噪声非相干抵消的优点.研制的大面积平板PVDF水听器样品灵敏度高,具有较平坦的响应.Cymbal换能器体积小、重量轻,灵敏度高,结构较简单,加工方便.驰豫铁电单晶换能器的灵敏度比同样的压电陶瓷换能器高5～6dB.小体积低频大功率发射换能器由7个Cymbal换能器并联组合推动盖板辐射声波,体积小重量轻,发射灵敏度高.     

1-3型压电复合材料发射换能器研究

针对1-3型压电复合材料换能器完整模型节点数多、计算时间长,周期模型不能直接模拟换能器水中响应特性等问题,提出了应用ANSYS软件分析1-3型压电复合材料发射器的方法,并利用此方法和厚度模式理论设计了1-3型压电复合材料发射器.同时对厚度模式理论及有限元法计算结果和试验结果三者做出了对比分析.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,制作的复合材料发射换能器谐振频率为300 kHz,最大发射电压响应为178 dB,且厚度模态纯净.     

一种压电换能器的结构设计与拉伸式装配方法

压电换能器装配预应力直接影响产品性能。大直径压电换能器对装配预应力控制和压电陶瓷应力分布均匀性提出了更高的要求。为实现大直径压电换能器的高预紧力装配,开展了大直径压电换能器结构设计、装配方法设计和径向应力均匀化研究。首先,基于传输线方法和模态分析开展压电换能器设计,采用Morris方法进行了尺寸参数对压电换能器纵振频率、振幅比和节面位置偏差的灵敏度分析,并设计了预期性能的压电换能器;然后,根据压电换能器对预应力控制的需求,提出了一种液压拉伸式装配方法;针对拉伸装配过程中压电陶瓷组的径向应力分布不均匀问题,对拉伸装配过程中的2个关键状态进行了静应力分析,以指导压电换能器的结构改进设计;最后,设计了拉伸装配装置,并基于该装置完成了压电换能器装配试验。试验结果验证了所提拉伸式装配方法可实现预期性能的压电换能器装配。压电换能器装配后的串联谐振频率和并联谐振频率分别稳定在18.05 kHz和19.57 kHz附近,串联谐振阻抗在10Ω以内,机电耦合系数在0.34～0.36之间。研究结果为控制压电换能器装配预应力提出了新的解决思路,并为大直径压电换能器设计时如何均化陶瓷应力状况提供了解决方法。     

一种功率超声换能器驱动电路设计

分析了磁致伸缩换能器的等效电路,计算得到了换能器工作的谐振频率.对换能器工作电压与电流的相位差进行补偿,并给出了相位补偿后的等效电路.以DSP为控制单元,设计了换能器驱动电路,包括电源电路、功率放大电路、辅助电源电路等.功率放大电路的全桥逆变电路采用自动相位控制方式.对电路的工作原理和工作过程进行了分析,对设计的换能器...     

偏心式圆筒悬臂梁发射换能器研究

为了得到宽带发射换能器,提出了一种偏心式圆筒悬臂梁换能器的结构形式,重点介绍了此类换能器的基本设计思想,即围绕低频和宽带两方面入手,将弯曲振动模态频率低的特点和多模态振动耦合拓宽频带的方法结合起来,应用于同一种换能器的结构设计中.利用有限元软件对换能器进行了辅助设计分析,并计算了悬臂梁和换能器的振动模态、工作频率、阻抗和发射特性等性能参数.换能器样机的测量结果是换能器的工作频带(-6 dB)为4～16 kHz,发射电压响应起伏在-5 dB以内,工作频带覆盖了2个倍频程.换能器样机的实测结果验证了设计思想的正确性和可实现性.     

压电单晶弯张换能器研究

为了进一步了解弛豫铁电单晶材料的特性,研究了单晶换能器的性能,利用有限元软件ANSYS对PMNT驱动的Ⅳ型弯张换能器进行了分析.设计并制作了一个PMNT弯张换能器,测量得到其谐振频率为1.7 kHz,最大发送电压响应为132 dB;制作了相同尺寸的PZT-4弯张换能器,并与PMNT弯张换能器进行了比较.与PZT-4弯张换能器相比,PMNT弯张换能器的谐振频率低17%,谐振时的电导值大5倍,获得的发送电压响应高5 dB.     

复合连通型压电水声换能器基阵的研究

针对压电水声换能器自由场电压接收灵敏度问题,以Cymbal换能器为压电相,聚氨酯为聚合物相,构成了具有1-3复合连通型特征的压电复合水声换能器平面均匀并联基阵.建立了基阵数学模型;制作并测试了该基阵的自由场电压接收灵敏度.结果表明,该种结构的压电复合水声换能器的自由场电压接收灵敏度与阵元的体积分数有关;与阵元的间距有关,阵元间距在对应于辐射因子为零处时,可得到该基阵的自由场电压接收灵敏度的最大值;其自由场电压接收灵敏度的实测值与理论值有很好的吻合程度,基阵的基波谐振频率比单个换能器阵元的基波谐振频率明显降低.     

槽钹形压电复合换能器理论建模及有限元分析

为了解决传统钹形压电复合换能器在用作传感器和驱动器时，由于存在的环向应力，导致部分输出机械能损耗及换能效率不高的问题，提出一种新型高性能钹形压电复合换能器.该压电复合换能器通过对钹形金属片沿径向切槽以释放金属片中的环向应力的方法，使压电片的机电转换能量能够充分发挥出来，以提高换能器工作性能.通过对该槽钹形压电复合换能器进行压电学及力学分析，建立了槽钹形压电复合换能器的力学理论模型，并通过对不同槽数的槽钹形压电复合换能器进行输出力、输出位移及固有频率的理论计算及有限元分析，验证了槽钹形压电复合换能器较传统钹形压电复合换能器的能量转换率提高了86％     

Design and optimization of the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer with an AlN thin film

Because existing ultrasonic transducers mostly use PZT and ZnO materials as piezoelectric thin films, while the PZT contains lead and ZnO has the problem of contaminating CMOS manufacturing, a piezoelectric ultrasonic micromechanical transducer with circular bi-laminate bending vibration which uses the aluminium nitride as the piezoelectric layer is designed. The working principle of the transducer is analyzed, the finite element model is established, and the finite element simulation is carried out for the size parameters of the transducer. It is found that the resonant frequency of the transducer is proportional to the thickness of each layer and inversely proportional to the square of the radius of the transducer; when the radius of the upper electrode is about 65% of the radius of the transducer, the resonant amplitude of the transducer is the largest; when the thickness ratio of the silicon and the aluminum nitride of the piezoelectric layer is about 0.6, the resonant amplitude is also the largest. The optimized transducer is simulated and compared with the original model. The results show that the working frequency in air is 9.21MHz, the electromechanical coupling coefficient increases from 21.44% to 27.16% in air and from 3.55% to 11.93% in water. These conclusions provide basic data for the research on the medical imaging probe.     

超磁致伸缩换能器有限元动态模型的研究

超磁致伸缩材料是在磁场的作用下能产生巨大伸缩变形的一种新型功能材料,它的应用越来越受到研究人员的关注．将超磁致伸缩材料Terfenol-D应用于换能器中,将极大地提高换能器的性能指标．介绍了超磁致伸缩材料研制的换能器的结构,利用有限元方法建立了磁机械耦合动态模型,并推导出换能器的谐振频率表达式,计算与仿真表明所建立的有限元动态模型在忽略涡流影响的条件下能够反映换能器的输入输出关系,此项研究对于超磁致伸缩换能器的控制及实验研究具有重要的指导意义。     

引风机变频控制改造浅析

介绍了贵溪发电公司分别于2007年、2008年对2台300MW机组引风机进行变频改造的情况,通过分析计算表明,引风机变频改造后对机组的安全和经济性都有很大的提高。     

Simulation and design of a self-heating continuous-flow PCR chip

A novel continuous-flow PCR chip adopting self-heating, passive-cooling mode to realize the DNA fragments amplification was presented. Using the ANSYS finite element analysis, the temperature distribution of the chip is simulated and analyzed. The optimal size of the chip is 30 × 22 mm2, the roundabout micro-channel is the 90 μm width, 40 μm depth. Two micro-heater with the nickel-chrome alloy material film are formed on the side of silicon belonging to denaturation and renaturation zones needed for PCR reaction, and two adiabatic structures with groove on side of silicon by anisotropy etching. By the mede of heating local zones at single side,three wider constant temperature zones could be formed, which are 60 ℃ ,72 ℃ ,95 ℃ and suitable for PCR,and the temperature-difference could be restricted in less than 5 ℃.     

结构物—地基耦合体系的沉降分析

采用有限元与无界元耦合法，对结构物－地基体系的沉降值进行了分析，文中用无界元模拟远场的半无限地基，而上部结构及近场地基用有限元离散，且编制了相应的计算程序。在算便中，对某高层力墙与地基的共同作用进行了计算，并与有限元法和实测结果进行了对比。