基于空气耦合超声技术的线型材料杨氏模量测量

该文介绍了一种基于空气耦合超声技术的材料杨氏模量评估方法。首先采用1-3型压电复合材料及双层匹配结构,研制了高灵敏度的空气耦合超声换能器。在一发一收模式下,该空气耦合超声换能器的插入损耗和-6 dB带宽分别为-23.9 dB和26.9%。其次搭建实验平台,将空气耦合超声技术与静态拉伸法结合,以评估铜线和银线杨氏模量。铜线和银线杨氏模量评估结果与对应的公认值范围一致。     

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。     

压电空气耦合超声换能器制备优化及实验验证

空气耦合超声换能器作为一种无损检测(NDT)的重要设备,具有广阔应用前景,但由于压电元件与空气声阻抗失配导致低带宽(BW)、低灵敏度(SNS)及高双程插入损耗等缺陷而阻碍其应用。该文对空气耦合超声换能器制备工艺进行优化,使用COMSOL软件模拟了压电元件的尺寸设计。同时通过采用1-3型压电复合元件与优化环氧树脂+空心玻璃微珠匹配层调控压电元件与空气的声阻抗,制备了工作频率400 kHz的空气耦合换能器。在工作频率时,该换能器的厚度振动模态较纯,带宽较宽,灵敏度与双程插入损耗为-38 dB。结果表明,采用该文自研工艺制备的空气耦合超声换能器具有良好的性能与巨大应用潜力。     

参量阵扬声器系统的超声发射阵指向性研究

在参量阵扬声器系统中,需采用若干个压电陶瓷超声换能器单元组成换能器发射阵,换能器单元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生影响。通过改变换能器数目及之间的相对距离,模拟了超声发射阵的空间指向性。与实测结果进行了比较,验证了在设计超声发射阵列时,此模拟方法的可靠性和实用性。     

浅谈超声换能器的发展与应用

超声换能器是超声检测中发射和接收声波的重要部件,相控阵技术应用在超声换能器中给超声检测带来了很大的应用,直接提高了零件的检测效率,并带来了巨大的经济效益,文中主要阐述超声换能器的发展以及其在工业上的应用。     

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。     

基于环形相控阵的超声CT成像系统的设计

为了更好地实现乳腺癌的早期精确诊断,设计了一种基于聚焦环阵的新型超声CT成像系统.256个电容式微加工超声换能器(CMUT)环形分布于乳腺四周,采用64个换能器发射,对面64个换能器接收的方式进行,在COMSOL中依次进行256次仿真来实现环形扫描.根据超声相控阵原理进行发射聚焦后,采用滤波反投影算法进行图像重建.聚焦...     

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。     

耐强酸腐蚀超声波换能器

设计并制作了一种用于强酸性输液系统除垢的超声波换能器。利用聚丙烯管道组装的静态流体超声场强测试系统研究了影响超声传播的因素。结果表明,使用陶瓷超声发射头有利于超声能量向液相传输,随导波棒粗端与陶瓷发射头接触面积增大,超声波能量传输效率提高。结合有限元分析软件确定了换能器的振动节点,优化换能器结构设计。在硫酸、盐酸、硝酸和氢氟酸酸体系中测试了换能器陶瓷超声头的耐酸腐蚀性能。实验结果显示,主晶相w(Al2O3)>75%、碱金属和碱土金属氧化物总含量小于5%的氧化铝陶瓷超声发射头可以耐受酸度为1.0mol/L硫酸的腐蚀。w(Al2O3)>99%的刚玉陶瓷可用抵御0.5mol/L氢氟酸、或大于1mol/L硫酸的腐蚀。用主晶相w(Al2O3)>75%的氧化铝陶瓷超声发射头,在模拟某锌业公司的实际生产的酸性体系中测试3个月,超声发射头无明显腐蚀。     

凹桶型弯张换能器有限元计算及其实验验证

用有限元法对凹桶型弯张换能器进行了建模与分析计算。首先介绍了用有限元模型分析换能器的基本理论,然后建立了凹桶型弯张换能器的轴对称有限元模型,给定换能器的材料属性与边界条件,计算其在空气和水中的导纳曲线,及其发射电压响应。分别在空气和消声水池中对凹桶型弯张换能器的导纳曲线、谐振频率及发射电压响应进行了实验测量,理论计算结果与实验测量结果基本一致。研究结果表明,用有限元模型对凹桶型弯张换能器进行建模与计算是正确有效的,它能在换能器的设计阶段就对其性能进行预报从而指导换能器的设计,并为进一步分析换能器的声辐射特性提供了表面振动位移和振速分布。     

聚焦超声换能器的仿真与性能分析

高频声透镜聚焦超声换能器在电子器件评估与检测、材料微观机械性能表征、生物医学成像、细胞操控等方面具有重要的应用。结构参数是影响其性能的主要因素之一。该文通过有限元法对基于声透镜结构的高频聚焦超声换能器进行仿真模拟,分析了声透镜的开孔角度对该类换能器聚焦区域声压模式、横向分辨率、-6 dB景深等关键性能参数的影响。仿真结果表明,换能器的焦距和横向分辨率与理论计算结果接近。随着声透镜开孔角度的增大,换能器的横向分辨力随之提高,焦点处声压级逐渐增大,-6 dB景深逐渐下降。这为声透镜聚焦超声换能器的优化设计提供了一定的技术基础。     

Helical‐Like 3D Ultrathin Piezoelectric Element for Complicated Ultrasonic Field

The developments of personalized medicine, ultrasound imaging, and contactless “microscopic handle” techniques are pushing ultrasonic transducers toward features of high frequency, device miniaturization, and even novel function. However, the conventional ultrasonic transducer has severely limited the development of novel ideas for applications due to its ordinary ultrasonic field. Although transducer arrays and monolithic acoustic holograms are capable of producing the complicated ultrasonic field, it is still difficult to achieve high frequency, device miniaturization, and novel function simultaneously. Here, a simple but effective approach is introduced that aims at reconstructing the complicated and high‐frequency ultrasonic field via a compact single‐element ultrasonic transducer. The 3D ultrathin piezoelectric element with a complex configuration is demonstrated theoretically and experimentally to produce the desired complicated ultrasonic field. With helical‐like configuration, the single‐element ultrasonic transducer offers efficient noncontact trapping and manipulation of suspended microparticles and biological cells. Moreover, its strong trapping capability leads to the 3D stacking of microparticles, which is a novel and interesting phenomenon achieved by a single‐element ultrasonic transducer. This work brings the possibility of a complicated ultrasonic field for achieving novel high‐frequency ultrasound applications through the design of smart structure ultrathin piezoelectric materials.     

声束扬声器的声频定向换能器阵列指向性研究

利用空气中超声波非线性传播效应制作一种可产生高指向性可听声的新型声束扬声器。以聚偏氟乙烯(PVDF)膜作为声频定向换能器的发声部件,根据惠更斯原理分析、讨论了声束扬声器单个换能器及换能器阵列的指向性,并指出当无法使点声源间的间距小于或等于声波波长的1/2时,可以通过增加点声源的个数来获得高指向性声波,使旁瓣的幅值得到有效抑制。     

曲面超声换能器近声场指向性研究

通过结合物理声学原理推导出曲面结构及其等效动态相控阵列超声换能器所形成的近声场分布,并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下,对比于平面结构,二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦,同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳,旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。最后给出了在曲面阵列优化设计方面一些有价值的规律。     

基于MATLAB的超声换能器声场可视化软件开发

对超声换能器的声场进行数值计算是当前研究的热点,在分析超声换能器声场模型的基础上,用MATLAB的GUI工具箱对声场进行可视化设计。通过输入换能器参数和介质参数,可以可视化地得到不同情况下的声场分布图,该软件可用于优化检测工艺,也可以指导探头设计。     

阵元失效对超声阵列换能器的影响及优化研究

超声阵列换能器单个或多个阵元的振动效率、几何尺寸等参数的改变,会影响整个阵列的声场分布等性能参数,降低超声检测的分辨率及相应的检测效果.基于阵列换能器声压分布理论,利用自适应算法,从阵元激励的角度,探讨阵列超声换能器阵元激励的优化方法,消除阵元失效的影响.研究结果表明,利用声场分布空间中有限数量的优化参考点,经过对激励参数的优化,可以使有阵元失效阵列的整个声场分布、指向性及聚焦特性等性能指标与标准无阵元失效阵列的基本一致,达到期望的标准声场分布的参数指标,大大降低超声检测设备的应用成本,提高检测效果.     

海底管道检测用线聚焦超声探头声场研究

海底管道缺陷的检测是由管道内智能猪完成的,智能猪上的超声探头阵列以恒定的速度一次性爬过管道,采集并记录缺陷数据供离线分析。所以探头的种类和性能直接影响对缺陷的检出率。论文针对智能猪用柱形曲面声透镜水浸式线聚焦探头,建立了其声场模型,并对其轴线声场和焦距进行了数值模拟。最后,实测了其轴线声场分布。     

激光光束检测圆对称超声换能器焦点声压的可行性

根据Raman and Nath理论,光在声场中传播可认为是在多层薄光栅中传播,而薄光栅的参数则由光栅平面内的声场分布决定。本文通过圆对称聚焦换能器在焦平面附近的声场分布,得到光束的偏转角与换能器焦点声压的关系。通过测量光束偏转距离得到换能器焦点声压。虽然本文的声压与偏转角的关系是基于理想超声聚焦换能器的线性理论,但通过激光检测声压与光纤水听器测量的结果,表明该方法可用于检测较高的焦点声压检测。