超声耦合无线电能传输用发射换能器优化设计

针对超声耦合无线电能传输系统研究的需要,对水下超声耦合无线电能传输系统发射换能器进行选型,确定换能器类型及工作频率。基于夹心式纵振压电换能器一维设计理论对发射换能器进行优化设计,在深入分析圆锥形前盖板延展系数对换能器振速比和等效机电耦合系数影响的基础上,选取的延展系数能同时兼顾换能器振速比和等效机电耦合系数均为较优值,并据此进一步确定换能器全部结构尺寸。实际测试结果表明,试制的发射换能器实际谐振频率为38.552 kHz,等效机电耦合系数为0.149,满足实际需要。     

基于1-3压电复合材料的透镜式聚焦换能器设计

为了抑制压电陶瓷透镜式聚焦换能器振动的多模耦合现象,提高换能器电声转换效率,采用1-3压电复合材料,设计了一种新型的透镜式聚焦换能器;首先计算并仿真了1-3压电复合材料的厚度谐振频率ft和厚度机电耦合系数kt,理论和仿真结果分别相差2.947％和0.933％;接着对换能器做振动分析,结果表明,在换能器谐振频率ft处,声透镜中心径向振幅仅为厚度振幅的7.9％,径向振动得到有效抑制,这有助于提高换能器电声转换效率.     

AlN压电薄膜换能器性能的仿真研究

在压电换能器的制作中,电极对其谐振和反谐振频率、机电耦合系数及品质因数等重要性能有着直接的影响。该文针对AlN压电薄膜复合结构,采用COMSOL Multiphysics有限元软件对电极-AlN-不锈钢结构的三维模型进行了压电-结构耦合分析。基于此模型,通过改变电极厚度、材料及压电层的介电和机械损耗等参数,来研究换能器的性能参数变化,研究结果对后续以不锈钢为基底的压电超声换能器的制作起到了一定的理论指导作用。     

压电双晶片动态机电耦合特性分析

基于压电双晶片本构方程，采用机电耦合系数的一种新的“更为合理的定义方法，分析了动态情况下悬臂梁式双晶片执行器或换能器的机电耦合特性，仿真了分析了机电耦合特性与器件材料，几何尺寸以及信号频率之间的关系，结果表明，机电耦合系数随双晶片几何尺寸及信号频率起伏变化，起伏幅度随信号频率的增大而减小，随双晶片长度厚度比的增大而减小。     

一种改进型1-3-2压电复合材料的研究

高质量的压电换能器需要具备较高的机电耦合系数和灵敏度。该文在传统型1-3-2压电复合材料的基础上提出了一种改进型1-3-2压电材料,提高了压电换能器的机电耦合系数和换能器的接收灵敏度。通过有限元仿真分析了不同间距对改进型1-3-2压电材料敏感元件的谐振频率、反谐振频率及机电耦合系数的影响,并与传统1-3-2型压电复合材料进行了对比。结果表明,与传统型1-3-2压电复合材料相比,在相同间距条件下,改进型压电材料的机电耦合系数约大0.03。制做的3种不同间距改进型压电材料表明,间距为1 mm的改进型压电材料的机电耦合系数较大,约为0.68。     

Cymbal换能器试验研究

研究了Cymbal换能器的形状参数对位移放大作用的影响,以及Cymbal的谐振特性、迟滞系数、响应时间、有效机电耦合系数。通过优化端帽形状参数和制作工艺改善了Cymbal的位移放大作用和频率谐振等特性。其直流电场下位移放大作用是PZT-5的38倍,交流电场下达60倍。等效压电系数达22550 pm/V,谐振频率从28.54~58.53 kHz,响应时间为17~35μs。     

基于PZFlex的1-3压电复合材料横向振动模仿真

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗,适用于制作水声和医疗超声换能器,但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能,限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料,复合材料的厚度为0.32 mm,陶瓷柱宽度为0.08 mm,长度为0.10~0.25 mm,刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算,仿真结果表明,复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz,随着陶瓷柱长度的增大,横向谐振频率逐渐向低频处移动,当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时,横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器,利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。     

压电换能器机电转换系数研究

针对气流致声压电发电换能器的腔底压力与输出电压之间存在的机电转换关系,建立了谐振状态下的机电耦合模型,获得了机电转换系数解析解,通过理论机电转换系数表达式分析可得,随着换能器谐振角频率、等效质量、压电片等效电容的减小或品质因数的增加,输出电压增加。搭建实验平台,获得模型机电转换系数。实验结果表明,机电转换系数实验值与理论值的误差为11.29%,推导的理论与实验一致,为小型气流致声压电发电系统的设计提供理论支持。     

具有表面微机械结构的体声波复合谐振器研究

本文报道了一种具有表面微机械结构的新型体声波复合谐振器。讨论了ＺｎＯ薄膜换能器的取向与体波模式机电耦合系数之间的关系；复合谐振器特性与器件参数的关系。给出了谐振器的制作工艺及测试结果。器件的尺寸为２５０μｍ×２５０μｍ，谐振频率在５５９．０５ＭＨｚ。     

层叠复合材料宽带换能器设计

利用多模耦合原理,将两片不同厚度的1-3型复合材料叠堆,制作宽带压电振子。用串并联理论与等效参数理论,计算不同厚度复合材料的谐振频率,得出构成层叠压电振子的两片复合材料的谐振频率差,并通过实验加以验证。结果显示,实验值与计算值吻合较好。将上述压电振子灌封,制作水声换能器并进行测试。结果表明,四只换能器的–3 d B带宽最大可达80 k Hz,最大发送电压响应均在163 d B以上。     

匹配电路对压电陶瓷超声换能器振动性能的影响

研究了匹配电路对压电超声换能器共振频率及其振动特性的影响；分析了由匹配电路和换能器组成的能量传输系统的有效机电耦合系数与匹配电路参数之间的关系。理论与实验表明，由电感和电容组成的匹配电路，使换能器的共振频率发生了变化。通过合理选择匹配电路参数，可提高系统的机电耦合系数，增大声功率输出。     

Tunable sandwich transducer

A tunable sandwich transducer is reported which has its fundamental resonant frequency controlled by varying a passive reactive load. The structure consists of four PZT-4 rings sandwiched between an aluminium head-mass and a brass tail-mass. The electromechanical coupling coefficient and the radiation efficiency into water of the transducer are given over the frequency range 25 to 75 kHz. A theoretical analysis based on an electromechanical equivalent circuit shows good agreement with the experimental results     

夹心式压电超声复频换能器的研究

对具有多个共振频率的纵向振动夹心式压电超声换能器进行了研究，该换能器由多组压电陶瓷片及金属棒组成。在一维纵向振动理论及等效电路的基础上，推出了夹心复频超声换能器的共振频率方程，设计并制作了一些复频换能器，并对换能器的共振频率、有效机耦系数和等效电阻抗等参数进行了测试。     

压电双叠片复合弯曲振动换能器辐射声场研究

采用瑞利法对固定边界条件下双叠片复合弯振换能器进行理论研究,在计算谐振频率及位移分布函数的基础上,利用声场迭加原理推导出双叠片复合弯曲振动换能器辐射声压及其指向性表达式,数值计算分析了复合换能器结构参数对指向性的影响,并与相应活塞板指向性进行比较。结果表明,复合弯曲换能器各结构参数对声场指向性会产生不同影响,当其他参数给定,其声场指向性具有无旁瓣,瓣角大,声压作用距离短,频率增大时指向性瓣角变小等特点。     

面内弯纵型直线超声电机的数学模型与实验研究

提出了一种弯纵复合振动型的直线超声电机,电机由一块金属板和8片压电陶瓷片组成,金属板开设了4个长形孔,金属板开孔使电机的工作频率点得到优化.通过电机定子的机电耦合分析,提出了弯纵型直线超声电机的数学模型.弯纵复合振动的激发使定子驱动足的椭圆运动轨迹得以形成.通过实验验证了电机的可行性.     

基于ANSYS的压电陶瓷晶片PZT仿真分析

电力支柱瓷绝缘子超声波检测对预防和检测绝缘子裂纹和断裂起到重要作用,换能器是超声波检测的基础元件,而换能器的核心部件是压电陶瓷晶片,其性能直接影响到检测结果。该文研究针对有限元法和传统解析法在压电陶瓷晶片特性分析中的不足,采用ANSYS有限元分析软件对压电陶瓷锆钛酸铝(PZT)晶片进行特性分析,基于ANSYS的电-结构耦合场模型,对超声波换能器的矩形压电晶片进行静态、模态、谐响应和瞬态分析。通过模态分析和谐响应分析可得到晶片的一阶纵向振动和二阶弯曲振动的固有频率、振型及频率位移响应及影响因素等信息,研究结果对提高超声辐射功率及超声换能器的性能有一定的理论指导和工程应用价值。     

电磁式冲击波发生器的研究

设计并制作了一种电磁式冲击波发生器,该发生器包括激励源和换能器两部分。分析了激励源及换能器的工作原理;对换能器振动系统的基频频率进行测量,依据周边嵌定振动板的基频与各次泛频的关系得到换能器振动系统的各次泛频;换能器在较高频率振动时,还应具有足够的电声转换效率和较高的输出功率,采用得到的振动系统的各次泛频作为机电耦合的匹配频率来满足这一要求。检测结果表明,设计制作的电磁式冲击波发生器达到预期设计要求。