层叠式PVDF薄膜超声换能器及其频谱特性

提出了一种利用聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜层叠的组合结构方案设计超声换能器,用以解决柔性薄膜超声换能器输入/输出信号增益低的问题;并通过理论推导及数学软件仿真给出了该结构换能器的幅频特性。利用仿真结果可估算出层叠式结构超声探头的增益、谐振频率和通频带与PVDF薄膜厚度及薄膜层数之间的对应关系。这对于缩短高频超声探头的设计周期,降低开发成本,提高探头转换增益及检测灵敏度都具有重要意义。     

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。     

弯振模态板状直线超声电机的研究

通过改进直线超声电机的驱动足、夹持等结构形式,提高了电机的输出特性。设计了一款新型直线电机,电机由对称分布的板状振子和具有柔性的驱动足组成。通过ANSYS软件建立了电机有限元模型并分析电机工作模态,根据模态一致性原则设计电机尺寸;利用板状结构的弯振模态,降低了驱动频率,提高了输出效率;电机驱动足具有一定的柔性,在夹持组件作用下实现预压力的施加。最后对样机开展实验研究,结果表明,电机定子模态测试数据与仿真分析结论吻合,工作频率为27.5kHz,附近无干扰模态,相位差为90°,工作时发热较少;最大输出力为44N;双向驱动速度一致性良好,其中最大输出速度为267mm/s。     

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。     

功率超声压电换能器阻抗匹配电路参数化设计

针对功率超声压电换能器,因工作环境变化和负载差异而导致匹配失调,及因匹配参数计算复杂而导致设计效率低、易出错的问题,在分析传统LC匹配电路的基础上设计了一种增加可调元件进行匹配失调补偿的改进型LC匹配电路,提出了一种功率超声压电换能器阻抗匹配电路的参数化设计方法,开发了相应的参数化设计软件,通过实验验证表明,该设计方法和软件为功率超声压电换能器匹配电路的设计提供了一种方便、实用、快捷、可靠的手段。     

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。     

一种新型自发自收式双频超声换能器

设计并制作了一种新型自发自收式双频超声换能器,其由高频压电片、中间层、低频压电片和背衬层所组成,可激发高频超声纵波,并同时接收高频超声纵波的基波分量和相应的静态分量。在聚苯硫醚和硅橡胶样品中分别对试制的自发自收式双频超声换能器进行了超声实验研究。实验结果表明,所设计的双频超声换能器,能有效地激发高频超声纵波,并实现对高频超声纵波的基波分量和静态分量的同时接收。特别地,当高频超声纵波信号在高声衰减材料中被完全衰减时,仍可实现对超声静态分量的有效接收。     

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。     

基于多特征与多尺度融合的人脸活体检测方法

设计并制作了一种新型自发自收式双频超声换能器，其由高频压电片、中间层、低频压电片和背衬层所组成，可激发高频超声纵波，并同时接收高频超声纵波的基波分量和相应的静态分量。在聚苯硫醚和硅橡胶样品中分别对试制的自发自收式双频超声换能器进行了超声实验研究。实验结果表明，所设计的双频超声换能器，能有效地激发高频超声纵波，并实现对高频超声纵波的基波分量和静态分量的同时接收。特别地，当高频超声纵波信号在高声衰减材料中被完全衰减时，仍可实现对超声静态分量的有效接收。     

基于BP神经网络算法的超声电源频率追踪技术

超声振动系统主要由超声换能器和超声复合加工电源组成。其中超声换能器在加工过程中受到多种因素影响,会发生谐振频率漂移现象;超声复合加工电源需要输出对应频率的电信号,保证超声振动系统的稳定工作。为避免超声换能器损坏,设计一种基于BP神经网络算法的控制模型,通过分析超声电源运行历史数据来实现对超声电源输出频率的控制。利用Multisim对电路进行仿真,并通过试验采集理论谐振频率在25 kHz的超声换能器稳定工作时超声复合加工电源的输出信号,通过Matlab建模仿真来验证BP神经网络模型的控制精度和可靠性。结果表明,产生的模拟输出与实际输出频率最大误差不超过5%,有助于超声复合加工电源的稳定工作。     

高指向性声频声源中PVDF膜换能器的阻抗匹配

根据参量阵原理,可以设计出能够发射高指向性可听声的声频声源。相比于传统的压电陶瓷换能器,利用具有特定结构的聚偏二氟乙烯（PVDF）膜作为超声换能器,可以解决困扰高指向性声源输出功率低的问题。研究了PVDF膜超声换能器的电学和声学特性,并据此提出了一种阻抗匹配方法,且经过实验验证,以使得电声转换效率获得了有效的提高。     

New techniques for the design of advanced ultrasonic transducers for wire bonding

A new high-frequency ultrasonic transducer, in particular for the application wire-bonding, has been conceived, designed, prototyped, and tested. In the design phase an advanced approach was used and established. The method is based on the two basic principles of modularity and iteration. The transducer is decomposed in its elementary components. For each component an initial draft is obtained with finite-elements-method simulations (FEM). The simulated ultrasonic modules are then built and characterized experimentally through laser-interferometry measurements and electrical resonance spectra. The comparison of simulation results with experimental data allows the parameters of FEM models to be iteratively adjusted and optimized. The achieved FEM simulations exhibit a remarkably high predictive potential and allow full control on the vibration behavior of the ultrasonic modules and of the whole transducer. The new transducer is fixed on the welding device with a flange whose special geometry was calculated by means of FEM simulations. This flange allows the converter to be attached on the welding device not only in longitudinal nodes but also in radial nodes of the ultrasonic field excited in the horn. This leads to a total decoupling of the transducer to the welding device, which has so far been unheard of. The new approach to mount ultrasonic transducers on a welding-device is of major importance not only for wire-bonding but also for all high-power ultrasound applications.     

芯片键合换能系统中接触界面的影响分析

接触界面对超声能量传递与振动特性的影响是各类压电换能器的共性问题。在超声芯片封装领域,各子部分之间的接触界面是影响系统超声能量传递的强非线性因素,直接影响芯片与基板的键合质量。该文通过有限元法与激光多谱勒测振仪等技术,获得系统中接触界面对超声能量传递与振动特性的影响规律,发现不合理的接触界面会引发系统多模态与频率混叠效应、超声能量输出不稳定、系统迟滞响应等,导致键合强度下降、芯片与基板倾斜、键合效率下降等封装缺陷。研究结果对理解超声键合与系统设计具有指导意义。     

基于NIR-AOTF的超声换能器阻抗特性分析及驱动系统设计

该文从压电超声换能器的阻抗特性出发,在对换能器的输入阻抗及匹配网络进行了深入研究的基础上设计了一种基于高速单片机和直接数字频率合成器(DDS)的NIR-AOTF驱动系统,采用软件查表法将各个频段驱动信号所对应的电压幅值控制字做成表并保存在单片机中,实现了DDS在各个频段的恒功率输出,并采用新型的宽带阻抗变换网络加载在压电换能器,最终在30~80MHz带宽范围内匹配网络 ＞-0.276dB,回波损耗 ＜-10.173dB。由于驱动电路提供功率为36dBm,实验证明换能器获得功率高于35dBm,达到超声换能器实际工作的3-4W功率要求, NIR-AOTF的0级光谱衍射效率最高达73％。     

蜂窝夹芯结构脱粘的空气耦合超声检测技术研究

针对当前蜂窝夹芯结构超声无损检测效率低及耦合剂污染等问题,该文提出了使用空气耦合超声透射法进行检测并成像。首先利用COMSOL建立了二维蜂窝夹芯结构空气耦合超声检测模型,通过置入不同大小空气层以模拟实际脱粘缺陷。仿真结果表明,与无缺陷相比,脱粘后超声信号幅值变小,且缺陷越大,超声信号幅值越小。其次制定空气耦合超声透射实验方案,使用频率为200 kHz空气耦合超声换能器对不同脱粘面积进行实验研究,实验结果与仿真结果趋势相同,验证了该方法的有效性。最后搭建了空气耦合超声C扫描系统,对不同大小脱粘缺陷进行超声C扫描成像。成像结果表明,该方法最小可显示9 mm的脱粘缺陷轮廓,解决了蜂窝夹芯结构的脱粘无损检测。     

一种换能器频率跟踪与振幅稳定方法的研究

针对超声波换能器工作过程中换能器的谐振频率漂移及其振幅不稳定问题,对一种同时实现振幅稳定和频率跟踪的方法进行了研究。通过正交相关法对换能器匹配网络的复阻抗幅值与相位进行分析。通过比例-积分-微分(PID)控制算法对超声波发生器输出电压的频率和幅值进行调节,从而实现换能器频率的跟踪和振幅稳定。对频率28kHz的换能器进行了实验,实验表明,正交相关法和PID控制算法的结合能实现换能器的谐振频率跟踪和振幅稳定。     

基于Leach模型的空气耦合超声换能器声阻抗匹配特性研究

压电陶瓷与空气之间的声阻抗差异巨大，导致声波在固-气介质间的能量传输效率低，研究匹配层特性对提升换能器能量传输效率具有重要意义。文章通过Leach模型仿真，研究了空气耦合超声换能器阻抗与瞬态响应，并搭建实验平台进行测试验证。仿真和实验结果表明，增加一层匹配层可将接收信号幅值增大约280%,增加两层匹配层可将接收信号幅值增大约363%。通过采用经声阻抗匹配后的换能器对碳纤维板缺陷进行检测，能明显检测出深度为0.5 mm、直径为1 mm凹槽缺陷的变化，验证了通过等效电路模型研究换能器匹配特性方法的有效性。     

超声聚焦微喷压电换能器射频电源的设计

介绍了一种应用于生物微阵列中,工作频率为10~20 MHz的超声聚焦微喷压电换能器射频电源的设计。该射频电源采用基于直接数字频率合成(DDS)技术得到波谱纯净,频率连续可调,幅值可调,分辨率高且稳定的射频信号。采用具有可关断功能的视频运算放大器实现了一种简单实用、低成本的脉冲调制电路。功率输出级采用变压器推挽式功率放大电路,实现了宽带脉冲调制信号的功率有效放大。