声光器件的换能器带宽和镀层厚度的确定

本文将综述以Mason等效电路为基础的计算声光器件中压电换能器频率响应的理论,它对于声光器件中换能器的设计和性能测试是极重要的.本文将应用此理论对目前最重要的两种声光器件(36°Y切LN/PM和X切LN/TeO_2)以及各种镀层材料和厚度计算换能器捐耗TL随相对频率f/f_0的变化关系,由此可确定各镀层的厚度和器件的换能器带宽.本文还给出这两种器件的电输入阻抗Z_1在阻抗园图上随f/f_0变化的轨迹,它可作为器件性能测试的理论依据.     

椭圆振动切削换能器的阻抗匹配研究

通过对换能器阻抗特性的分析,提出了一种适合超声波椭圆振动切削的压电换能器匹配方式.将换能器的工作频率选择在非谐振区内,使双激励压电换能器谐振频率不同的两组压电振子能在相同频率下协调工作.在选定的工作频率下,换能器两组压电振子间的交叉干扰很微弱,两个方向的振动可独立控制.超声波椭圆振动切削加工过程中,换能器两支路相位差变化小于0.5°,输出椭圆振动稳定.     

一种频率可调超声波发生器设计

不同清洗物所需的清洗频段不同,需要接入的超声波换能器也不同。为了提高超声波发生器对不同频段换能器的适应性,设计了一种由上位机进行频率给定、锁相环电路进行频率跟踪的闭环控制系统。整个系统由STM32主控制器产生脉冲宽度调制(PWM)脉冲信号,控制EXB841优化驱动电路,驱动高频全桥逆变电路;通过阻抗匹配和输出电流的检测,保证作用于换能器输出的功率值最大。同时对于不同频段的超声波换能器,需要调整给定输入,保持发生器在频率基准值的一定范围内进行频率跟踪。超声波换能器测试样机工作频率点为28.8 kHz,最大功率1 500 W,将本系统接入后谐振频率保持在28.8 kHz左右,输出功率近似为最大值。经测试,该系统对于工作频率点为20~40 kHz的超声波换能器都具有较好的适应性。     

低矩形系数、低波动的声表面波带通滤波器

本文简要地介绍了在YZ铌酸锂基片上制作的、中心频率f=65兆赫,3分贝带宽△f_(3db)=11兆赫,矩形系数K_(0.01)(△f_(40db)△f_(30db))=1.24,带内波动△R≤0.8分贝(最高峰与最低谷的起伏)△b≤0.3分贝(带内相邻峰间的起伏),旁辨抑制SS≥45分贝平顶损耗 IL(f_0)≤18分贝的声表面波滤波器的结构与设计方法.通带波动是由两种起伏迭加而成,即快变化的锯齿状波纹和慢变化的起伏.前者是由三次过渡信号、电磁直通信号、基片边缘反射等形成,后者是由外电路,衍射等造成的.文中采用部分转移多条耦合器与假换能器配合等抑制三次过渡回波,通过依靠近基片边缘一侧的有源、无源指电学短路,且使二短路块相差四分之一声波长进一步抑制指间相干反射.利用频谱互补技术补偿通带内的慢起伏.设计一个换能器的频响为下四的“馒头”形,补偿由于外电路,衍射等使频响为上凸“馒头”形的另一换能器,以获得满意的平顶通带.对于部分转移多条和假换能器配合抑制包括声电再生在内的三次过渡信号的可能性,假电极相干反射抑制等进行了某些理论上的计算和讨论.     

国外简讯

利用LiNbO_3压电基片的厚度振动模已经有效地用于体声波(BAW)换能器.换能器的中心频率确定于基片的厚度.为了制作100MHz以上工作频率的换能器,必须把基片的厚度制成几十微米以下的薄片.而且,在压电基片和传声介质之间的粘结层,也会导致换能器某些特性的下降.因此要制作这种高频换能器必须要求特殊的技术.     

对数周期天线的工作原理和设计方法

对数周期天线是近年来发展起来的一种具有极为优良电特性的宽频带天线.它在输入阻抗、方向图形、增益系数等主要电参数方面都近似地具有同频率无关的性质,这是过去任何天线都不可能达到的.这种天线的电特性随工作频率成对数周期关系而变化,即在任一频率f_0所具有的特性将在所有的f_n=τ~nf_0的的频率上重复,此处^一可。圈称为一个周期(t为周期卒,     

一种采用IDT技术的新型高频声体波换能器

压电晶体一液体界面的叉指换能器在一定频率的电信号激励下将仅向液体介质中辐射声体波，可将这一效应用于高频声体波超声换能器的制作。通过分析与计算压电晶体一液体的界面有效介电常数虚部，可确定出叉指换能器仅向液体中辐射声体波的表面慢度。根据待激发声体波的频率和慢度，可得到叉指换能器仅向液体中辐射声体波时的周期。考虑到叉指换能器直接接触液体并向液体中辐射声体波，可在叉指换能器表面敷设一层SiO3薄膜以保护电极。该类换能器的最大优点是不需匹配层而直接向液体中辐射声波，其工作频率上限原则上只受声表面波工艺限制。设计并制作出频率为31．5MHz的声体波超声换能器，实测了频响，与理论相符。     

压电超声换能器阻抗特性分析与匹配设计

压电超声换能器在不同的工作频率下具有不同的输入阻抗,当驱动信号源输出阻抗与换能器输入阻抗失配时会产生能量损耗,导致无法满足换能器的功率要求,从而使其光谱衍射效率降低,影响光谱成像质量。为此对换能器阻抗频率特性的深入研究,设计了一种新型宽带阻抗匹配网络。通过ADS仿真及匹配电路的测试,最终在115~180 MHz超声波频率内可使换能器的光谱衍射效率最高达70%。     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。     

超声波焊接机频率跟踪控制的一种方法

用检相法测试出换能器输出电压和电流相位差的值和滞后/超前情况作为超声波焊接机工作频率调整信号,通过磁饱和原理和数字电位器改变线圈电场强度来改变其电感值(即改变电路工作频率)从而跟踪控制频率使电路回到谐振状态.本文讲述了频率控制原理,给出了实现电路和测试数据,证明了此方法是可行的.     

应用于海底沉积声学原位测量的球形换能器研制

该文对标ITC-1007与ITC-1032球形换能器,为海底沉积声学测量系统研制了两款中低频球形换能器(SP32K和SP12K)。通过理论及有限元方法对换能器进行仿真设计,制作换能器样机并对其进行了性能测试。低频球形换能器(SP12K)的谐振频率约为12 kHz,工作频带为2~20 kHz,最大发射电压响应为149 dB。中频球形换能器(SP32K)的谐振频率约为32 kHz,工作频带为15~50 kHz,最大发射电压响应为149 dB。实验结果表明,研制的中低频球形换能器与国外同类产品相比,性能基本一致,满足相关声学测量需求,这为研制中低频海底沉积声学原位测量系统等声学装备提供了有力支撑。     

3-2型压电复合材料参数对厚度振动模的影响

3-2型压电复合材料在水声换能器应用中主要工作于厚度振动模态。应用切割填充法制备了四种3-2型压电复合材料，并通过改变复合材料中压电陶瓷的体积分数，实验测得了四种3-2型压电复合材料厚度谐振频率随体积分数增加而升高的速率，并分析了不同压电陶瓷与环氧树脂对样品厚度谐振频率变化率的影响。同时分析了复合材料反对称体振动模与厚度振动模的耦合，并提出了避免这种耦合的方法。     

3-2型压电复合材料参数对厚度振动模的影响

3-2型压电复合材料在水声换能器应用中主要工作于厚度振动模态。应用切割填充法制备了四种3-2型压电复合材料,并通过改变复合材料中压电陶瓷的体积分数,实验测得了四种3-2型压电复合材料厚度谐振频率随体积分数增加而升高的速率,并分析了不同压电陶瓷与环氧树脂对样品厚度谐振频率变化率的影响。同时分析了复合材料反对称体振动模与厚度振动模的耦合,并提出了避免这种耦合的方法。     

复频超声波清洗器的研制

通过改变夹心式换能器压电晶片的堆放位置及组数,使超声清洗换能器具有两个明显的谐振峰。经自动控制及转换电路,使超声波电源既能在任一单频工作又能在双频自动交替工作。大功率实用状态下清洗复杂工件,并用染色法真实记录单频工作及双频交替工作时槽内声场的分布情况。结果表明,复频超声清洗能充分发挥不同频率的声波特性,比单频清洗效果更好。     

Analytical modeling of piezoelectric vibration-induced micro power generator

In this article, a novel piezoelectric cantilever bimorph micro transducer electro-mechanical energy conversion model is proposed. Based on the curvature basis approach, the relationship between the deduced voltage and the mechanical strain induced piezoelectric polarization is formulated. In addition to the working equation for piezoelectric sensors, the damping effect is included to enable the resonance frequency, the maximum induced voltage at the resonance, the conversion energy density and the dimensions of the piezoelectric micro power generator to be analytically estimated. The analytical model shows that the vibration-induced voltage is proportional to the excitation frequency and the width of the device but is inversely proportional to the length of the cantilever beam and the damping factor. To verify the theoretical analysis, two micro transducer clusters are fabricated. The experimental results demonstrate that the maximum output voltage coincides with the energy conversion analytical model.     

双激励源压电陶瓷超声换能器的共振频率特性分析

 本文对具有两组压电陶瓷激励元件的夹心式功率超声压电换能器进行了理论及实验研究.当换能器中的两组压电陶瓷元件分别被激励时,换能器可以产生两组不同的共振及反共振频率.利用换能器的梅森等效电路,得出了其频率方程.探讨了换能器的共振频率及反共振频率与其几何尺寸及电学边界条件的依赖关系.研究表明,换能器的共振频率不仅与其几何形状和尺寸有关,而且与电学边界条件有关.在同样的几何尺寸下,电端开路时的共振及反共振频率大于电端短路时的共振及反共振频率.在两种电学边界条件下,换能器的共振及反共振频率与几何尺寸之间的依赖关系是相似的,即当换能器圆锥前盖板的半径比增大时,换能器的共振及反共振频率总是降低的.     

变频式超声波发生器的高速锁相研究

用于超声键合工艺的超声波发生器是引线键合封装设备的主要装置,其核心与关键是频率自动跟踪与锁相速度。文中构建了一种变频式超声波发生器,并对其中的高速锁相进行分析。通过换能器的电流反馈,采用基于嵌入式的数字式真有效值试探算法,超声波发生器锁相速度比传统速度提高数十倍,达到高速锁相的要求,满足了换能系统工作时的高速谐振需求。     

溢流环换能器的有限元分析

溢流环换能器是一种低频、宽带、大功率水声换能器,一般存在两种谐振方式,即液腔谐振和径向谐振。对溢流环换能器的两种谐振作了理论分析,并用有限元法建立模型进行计算,制作了换能器样品,并通过试验作了对比。结果表明,有限元法对于完善溢流环换能器的设计理论具有一定的指导意义。     

热声焊机变幅杆固有频率模态分析

纵向振动单一超声变幅杆是热声焊机换能器中的关键零件,其作用是放大换能器所获得的超声振动振幅.为了得到最大的振动幅值,变幅杆固有频率应和超声波发生器的工作频率相同.运用ANSYS有限元分析软件进行了不同材料下的变幅杆固有频率的模态分析,验证了1Crl8Ni9Ti不锈钢的变幅杆的纵振固有频率与工作频率相一致,给出了纵振模拟图和位移图,并对模态分析结果进行了研究,以了解在给定的频率范围内各种模态形式,通过采取一定方式抑制接近工作频率的影响键合质量的非工作模态产生.