具有机械阻抗匹配器的纵向振动宽带换能器计算机辅助设计

文章论述了在压电陶瓷材料与前质量块之间以及压电陶瓷材料与后质量块之间分别放置了前机械阻抗匹配器和后机械阻抗匹配器的纵向振动换能器的特性.具有不同机械阻抗匹配器,为换能器提供了双调谐的特性.然而,通过对前、后匹配器的适当的设计能对换能器响应的调谐频率作出予报.本文计算了这种换能器的电导纳和发射电压响应表达式,为了获得所要求的宽带特性,应用计算机模拟和计算机设计来确定匹配器的适当参数值.上述换能器的数值计算结果表明,其发射电压响应的3dB带宽超过一个倍频程.并与实验结果相吻合.理论的电导纳与实验结果也大体上相一致.     

联合实频数据及预均衡技术的声呐宽带发射技术

针对声呐发射系统在使用中存在工作效率低、匹配带宽窄和发射波形失真的情况,提出采用实频数据技术与预均衡技术相联合的发射系统设计方法。相比于传统的匹配技术,联合技术首先采用直接实频数据技术对换能器的匹配电路进行设计,无需分析换能器等效电路,通过编程可以灵活调整匹配参数,进而实现宽带匹配电路的设计;其次以宽带线性调频信号作为训练序列,基于OMP算法的压缩感知技术可以有效地对匹配后的发射系统冲激响应函数进行估计,由估计出的系统冲击响应函数构建时域预均衡滤波器实现发射波形的失真补偿。水池试验结果表明:采用联合技术设计的发射系统其工作带宽内的功率因数均在0.75以上;发射信号的最大幅度起伏由匹配均衡前的12 d B降低到匹配均衡后的3.3 d B;匹配均衡后的信号失真比与匹配均衡前相比提高了2.5倍。     

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.     

FPGA超声波换能器测试平台的设计

针对超声波换能器特点设计了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的超声波换能器测试平台,对换能器的参数进行测试以达到换能器一致性匹配的效果。首先,需求分析阶段明确换能器的测试项及完成测试电路的设计,分析了测试程序中的各项指标,用虚拟仪器作为人机交互界面,利用虚拟仪器中的波形处理函数得到换能器的谐振频率与反谐振频率,通过谐振频率与反谐振频率计算出机械品质因数,最终实现了换能器各项参数的测试。     

拉丝用超声波换能器设计方法的研究

依据1/4波长对拉丝用超声波换能器进行设计.为方便换能器的固定和拉丝模具的安装,前后两端增加等截面部分.利用ANSYS软件对换能器进行振动模式、振动频率及变幅杆参数的综合协调.通过分析换能器的模态振动形式,最后确定设计尺寸.     

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...     

宽带参量阵在浅地层剖面测量中的应用

为了提高宽带参量阵的探测精度,提出参量阵浅地层剖面仪的系统设计. 以换能器阵列作为声发射装置,相较单个换能器能显著提高声源的指向性,有效抑制旁瓣. 利用参量阵的非线性自解调模型,对比分析线性调频信号自解调前、后的波形与频谱变化,分析得出自解调信号的频宽扩展为原信号的2倍,且带宽内信号幅值满足每倍频程12 dB的增长态势. 据此设计改进匹配滤波器来进行脉冲压缩,并通过频谱修正来抑制频谱变化. 仿真结果表明,该宽带参量阵的换能器阵列具有较好的指向性,根据自解调信号和原频信号同指向性的原理,保证自解调信号的高指向性. 提出的改进脉冲压缩技术能进一步提高探测分辨率,通过选择合适的调频范围,距离分辨率可以达到7.5 cm,可以实现高精度的海底地层探测.     

宽带水声信号恒定束宽和恒定功率发射技术研究

分析了发射信号幅度加权系数和阵元发射灵敏度随频率变化对宽带水声信号恒定束宽和恒定功率发射的影响,采用了由多谐振电路相互耦合的耦合谐振电路构成的宽带匹配网络、数字可编程信号源和宽带功率放大器等技术方法,利用耦合谐振电路对于宽带信号较好的频率选择性和数字可编程信号源对发射信号加权处理灵活性,保证了宽带水声信号所需的恒定束宽和恒定功率发射。     

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.     

凹球面环形换能器的声场特性

通过计算仿真,分析了凹球面单阵元换能器的轴向声场特性,并在连续工作方式下对其进行了测试,发现仿真与测试结果相近,说明计算仿真是一种有效的模拟声场方法。在此基础上,仿真分析了在不同参数条件下,如外形尺寸和频率改变时,凹球面环形换能器的轴向声场特性,发现参数影响声场的规律,表明环形换能器的外形尺寸是声场特性的决定因素。为了提高聚焦效果,提出了环形换能器的双频率设计。最后为了研究声场的稳定性,分析了误差引入和阵元损坏对换能器声场特性的影响,结果表明换能器的聚焦效果良好。     

带匹配层的复合材料多圆管同轴堆叠换能器

为了拓展换能器带宽和实现换能器水平方向上全向发射,本文研制了一种圆柱状高频宽带水声换能器,同时开发了压电敏感元件曲面成环新工艺。该换能器采用压电复合材料作为有源材料,三环轴向叠堆产生模态耦合和添加匹配层的方式拓展换能器的带宽。利用ANSYS有限元仿真确定了不同敏感元件圆环的尺寸。通过切割-浇注-曲面成环等工艺制备出内半径不同、外半径相同的压电复合材料圆环,并将不同壁厚的圆环通过轴向叠堆制作成换能器。测试结果表明：该换能器-3 dB频带范围为330～430 kHz,带宽达100 kHz,最大发送电压响应为163.4 dB,水平指向性开角为360°。     

沙质沉积物声学参数测量的换能器驱动信号补偿方法

准确的沉积物声速和衰减数据对于沉积物声学模型的验证极其重要,但是由于实际声源工作带宽的限制以及发送电压响应不平坦,造成了发射声信号频谱形状改变,导致实验测量数据不准确。为此,本文采用实测的换能器发送电压响应对驱动信号进行补偿,以实现窄带换能器频响特性的均衡,减弱换能器对发射信号的影响。数值仿真验证了本文所提方法的有效性,并且实验结果表明,驱动信号经补偿后,窄带发射声信号中心频率的偏移得到有效抑制,宽带发射声信号的带宽与驱动信号的带宽更为逼近。同时,该方法拓宽了窄带测量数据的有效带宽,降低了宽带测量获取的声速和衰减数据的起伏,使得窄带和宽带数据更加一致,提升了实验结果的准确性。     

超声换能器压电陶瓷材料的选择

压电超声换能器的性能主要取决于所用压电陶瓷材料的性能。本文在利用改进传输线路法对常用压电陶瓷各项性能测试的基础上，进行了压电陶瓷性能对换能器作用的研究，结果认为，制作高灵敏度换能器宜选用PZT压电陶瓷，制作窄脉冲高分辨换能器宜选用PbNb2O6压电陶瓷，而制作高频换能器则宜用LNN压电陶瓷。     

基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析

为提高高频水声换能器的性能,提出了一种基于1-1-3型压电复合材料的带有梯形匹配层的水声换能器设计。应用有限元方法分析了有无匹配层对复合材料电性能、辐射端振动位移的影响。并研制了带匹配层和不带匹配层的2种水声换能器。测试结果显示引入匹配层使得水声换能器在谐振频率为360 kHz时最大发送电压响应达到169.4 dB,接收电压灵敏度为-190 dB,-3 dB下接收信号带宽最大可达70 kHz,最大声源级达到208 dB。发送电压响应比没有匹配层的换能器提高了3.8 dB、声源级提高了6 dB、接收带宽拓宽了1.45倍。     

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.     

基于子阵的宽带发射干扰置零方法

为了抑制宽带干扰信号，在发射方向图上形成干扰凹口，提出了一种宽带宽角发射波束形成新方法．该方法首先发射窄带信号，应用超分辨方法估计出目标和干扰的方向并求出窄带权矢量；把窄带权矢量和宽带相位补偿权相结合形成宽带最优权，当发射为宽带线性调频脉冲信号时，能保证发射宽带信号距离高分辨，同时在方向图干扰方向形成较宽零点．     

堆叠压电复合材料圆环换能器研究

针对目前换能器亟待扩展带宽的问题,本文通过将两个不同共振频率的圆环进行轴向堆叠产生双模态耦合的方式研制了一种宽带压电复合材料圆环水声换能器的敏感元件。该换能器敏感元件由两个压电复合材料圆环进行轴向堆叠,从而实现厚度方向的双模耦合振动。通过径向切割压电陶瓷圆环、灌注柔性聚合物(如环氧树脂、聚氨酯等)、样品打磨、被覆电极等一系列工艺制备出压电复合材料圆环。再将制备出的相同外径、不同壁厚的压电复合材料圆环进行轴向叠堆,制备出叠堆压电复合材料敏感元件。用制备出的敏感元件通过灌注防水透声层、封装得到的换能器进行水下性能测试。测试结果显示:该换能器谐振频率为410 k Hz,-3 d B带宽达60 k Hz。实现了换能器宽带发射声波的目标。     

空腔式前盖板宽带纵向换能器研究

纵向换能器实现宽带性能有较多方法,但是拓宽频带有限。为了改善宽带性能,在传统纵向复合棒换能器的基础上,通过在前盖板处开有空腔结构来产生多种振动模态,利用多模态耦合原理实现换能器更宽频带性能。利用ANSYS有限元软件对换能器进行优化设计并制作了试验样机,测量得到在4.5-14 k Hz的频带内,换能器的最大发送电压响应值为148.9 d B,响应起伏9 d B。仿真分析与实验结果表明,与传统的纵向换能器相比,空腔式前盖板纵向换能器在拓宽频带方面效果显著,达到了一个倍频程以上。     

超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统研究

超声压电换能器是中小口径超声波流量计的核心部件,工作环境温度会直接影响超声压电换能器的最佳工作频率,导致流量计计量不准确。以双通道超声波流量计为平台,设计了一个超声压电换能器工作频率的温度自动补偿系统。通过实验获取不同工作环境温度下的超声压电换能器最佳工作频率,并以性能最接近的两对超声压电换能器最佳工作频率的均值作为激励发射频率;设计了一个激励脉冲信号发射系统,根据工作环境温度通过查表法获取超声压电换能器的激励发射频率,自动完成超声压电换能器工作频率的温度补偿。通过实验分析了温度补偿系统对流量计渡越时间和流量标定的影响,结果表明:该系统能够实现超声压电换能器温度自动补偿;经过温度补偿的超声波流量计引用误差控制在1.5%之内,达到二级精度仪表标准。     

芯片键合纵弯复合超声换能器的设计与试验

为了解决当前采用一维纵向超声加载模式进行芯片键合时造成结合面不充分的问题,设计纵弯复合超声能量加载模式的压电超声换能器,实现轴向纵振和水平弯振复合的超声振动代替传统单一的轴向振动. 采用ANSYS软件,对换能器有限元模型进行模态分析和谐响应分析,得到换能器纵振和弯振模态的谐振频率及振型. 通过调节换能器结构尺寸,实现纵振与弯振模态的简并. 采用阻抗分析仪对样机的频率和阻抗进行测试,使用激光多普勒测振仪测试换能器的纵振与弯振幅值,测试结果与有限元仿真计算结果一致,发现纵向与弯曲振幅均随着驱动电压的增加呈近似线性上升趋势, 证明设计的压电换能器实现了纵弯复合振动.