1-3型压电复合材料发射换能器研究

针对1-3型压电复合材料换能器完整模型节点数多、计算时间长,周期模型不能直接模拟换能器水中响应特性等问题,提出了应用ANSYS软件分析1-3型压电复合材料发射器的方法,并利用此方法和厚度模式理论设计了1-3型压电复合材料发射器.同时对厚度模式理论及有限元法计算结果和试验结果三者做出了对比分析.研究结果表明,所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,制作的复合材料发射换能器谐振频率为300 kHz,最大发射电压响应为178 dB,且厚度模态纯净.     

考虑损耗时压电陶瓷复参数的获得

根据径向极化薄壁压电陶瓷短圆环在空气中的运动方程及压电方程,给出了压电陶瓷材料计及损耗时复弹性柔顺系数、复压电系数及复介电系数的实部和虚部的计算公式.测得圆环的电导纳圆图后,便可利用所给出的计算公式获得压电陶瓷材料各项复系数的实部及虚部值.利用复参数计算出的压电圆管电导纳值与实测值比较的结果表明,二者吻合得甚好.     

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°。     

压电单晶双激励宽带纵向换能器

为了提高纵向换能器发射响应和工作带宽,本文以压电单晶PMNT做为有源驱动材料,采用双晶堆不同尺寸反相激励的方式,同时激发出一阶、二阶纵振模态,从而提高纵向换能器发射响应,拓宽工作频带。通过四端网络法简化换能器的等效电路并计算其发射性能,利用ANSYS软件对模型进行优化设计并制作了试验样机,最终测试数据显示在工作频带27~65 k Hz,最大发射电压响应值不低于150 d B,带内起伏小于12 d B。研究结果表明:理论计算、有限元仿真计算与实测结果基本吻合,利用双晶堆反相激励的方式可实现纵向换能器较宽频带工作。     

压电超声换能器初级串联匹配新方法

在分析超声电源输出变压器的非理想性给压电超声换能器电端匹配带来不良影响的基础上,根据空芯变压器模型理论,提出了一种新型的压电超声换能器初级串联匹配法:取消常规的次级匹配电感,若由输出变压器和换能器所构成的整体负载在换能器机械谐振频率处呈感性,则可通过在输出变压器初级串接一个合适的电容实现功放电路和其负载间的共轭匹配,反之则串联一个合适的电感。性能对比实验表明,该匹配法较传统的次级串联电感匹配法进一步提高了匹配的准确度,能量的传递效果也得到改善。     

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.     

悬臂梁式压电能量收集器的建模与分析

为了更加精确的表达悬臂梁式压电能量收集器的输出特性并优化其结构参数,设计一种分布参数建模法,首先根据Rayleigh-Ritz法和Euler-Bernoulli梁理论,建立悬臂梁式压电能量收集器的分布参数模型的偏微分方程;基于压电效应,通过高斯定理与基尔霍夫定律将机械部分与电路部分耦合起来,建立起压电能量收集器的分布参数模型,求出了机械振动响应和电学响应;基于分布参数模型,对压电能量收集器施加简谐激励,利用MATLAB计算末端质量块质量、结构尺寸对输出能量的影响,并进行负载阻抗匹配;最后通过实验来验证末端质量块对输出能量的影响以及分布参数模型的正确性。     

新型换能器技术的进展

介绍了PVDF圆柱型水听器、大面积平板PVDF水听器、钹式换能器、弛豫铁电单晶换能器、小体积低频大功率发射换能器等方面的研究进展.PVDF圆柱型水听器用灌注成型和复合膜卷绕技术制作而成,性能稳定,一致性好.大面积水听器具有能使流噪声非相干抵消的优点.研制的大面积平板PVDF水听器样品灵敏度高,具有较平坦的响应.Cymbal换能器体积小、重量轻,灵敏度高,结构较简单,加工方便.驰豫铁电单晶换能器的灵敏度比同样的压电陶瓷换能器高5～6dB.小体积低频大功率发射换能器由7个Cymbal换能器并联组合推动盖板辐射声波,体积小重量轻,发射灵敏度高.     

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。     

采用压电陶瓷的电调谐光纤光栅器件

对光纤光栅的调谐特性性进行了理论分析和实验研究,并利用压电陶瓷作为调谐物质实现了调谐范围达１．３４４ｎｍ的电调谐光纤光机器件。与其它类型的可调谐光纤光栅相比,该器件具有结构简单,易于实现,且机械稳定性强的优点。此外,还对光纤光栅弯曲所导致的其Ｂｒａｇｇ波长的迁移特性进行了实验,获得了１．６８ｎｍ的波长调谐范围。     

压电陶瓷在离合器中的应用

给出了压电陶瓷离合器的概念及及工作原理,分析和论述了压电陶瓷致动器的输出位移,输出推力,对控制电压的响应特性等与离合器的输出转矩和动作时间之间的关系。     

压电振动能量采集器的性能分析与功率优化

为了预测压电振动能量采集器的输出特性,优化输出功率,以压电双晶片串联型振动能量采集器为研究对象,综合考虑结构与电路耦合因素,利用有限元法和ANSYS软件建立压电振动能量采集器的有限元机电耦合动力学模型和网格实体模型.分析在外力激振条件下负载电阻对压电振动能量采集器的振动特性和电输出特性的影响,得到不同负载电阻下压电能量采集器的振动特性和电输出特性曲线.通过调节负载电阻使之与能量采集器的阻抗匹配,实现了对能量采集器输出功率的优化,得到了优化的负载电阻和输出功率.研究结果表明,采用压电能量采集器能够输出大的开路电压、大的短路电流,优化后的开路和短路谐振时的最大输出功率分别达到57.81和55.12 W.     

压电单晶弯张换能器研究

为了进一步了解弛豫铁电单晶材料的特性,研究了单晶换能器的性能,利用有限元软件ANSYS对PMNT驱动的Ⅳ型弯张换能器进行了分析.设计并制作了一个PMNT弯张换能器,测量得到其谐振频率为1.7 kHz,最大发送电压响应为132 dB;制作了相同尺寸的PZT-4弯张换能器,并与PMNT弯张换能器进行了比较.与PZT-4弯张换能器相比,PMNT弯张换能器的谐振频率低17%,谐振时的电导值大5倍,获得的发送电压响应高5 dB.     

压电复合圆盘水声换能器弯曲振动理论与参数

为使小尺寸压电复合圆盘水声换能器具有良好的低频响应性能,采用能量法对三叠片压电圆盘复合振子水声换能器的振动特性进行研究,给出了弯曲圆盘水声换能器的基本参量表达式,得出了在简支边界条件下,等厚三叠片所构成的压电圆盘具有最大等效机电耦合系数。通过实际结构水声换能器实验,结果表明:采用不同的金属基板,发现在有效机电耦合系数上,锰黄铜的性能要稍微优于铝合金和钛合金。在谐振频率方面,其实测值与理论计算值相差不大,采用能量法进行近似理论分析比较切合实际,为此类压电水声换能器的设计和实际应用提供了参数设计计算方法。     

基于高频电阻抗信号的结构损伤监测

给出了利用高频电阻抗信号进行结构损伤识别的精确定量分析方法.考察压电片－黏结层－主体结构组成的一个耦合结构系统，主体结构采用一维模型并只考虑轴向振动，引入剪滞模型来描述压电片与主体结构之间的剪力传递，考虑压电片的动力效应，采用传递矩阵法导出了这一耦合结构的系统方程，得到了压电片电导纳的解析表达式.通过算例验证了所给出方法的正确性和有效性.计算结果表明，弱界面对电阻抗信号有较大的影响，利用电导纳的虚部可以清楚地检测到界面的弱黏结；采用电阻抗技术能够很好地识别结构局部的细小损伤.     

基于并行传输网络模型的声学参数测量仪器

报道一种新开发的基于电-声/声-电转换传输网络模型的声学测量仪器。该系统的物理模型由一系列并联等效电路组成,可用来更为准确地描述实际声学测量过程。当声波换能器被包含有多个频率分量的信号子波激励时,并联网络中的每一个等效电路将具有自己独特的辐射阻和辐射质量,且每个频率分量将独立地作用于对应等效电路的电学端/力学端。力学端/电学端的累积输出就是声换能器输出的声/电信号子波。该系统在理论上考虑了换能器的电-声/声-电转换、驱动电压信号子波和传播介质特性对测量的声信号的影响,其物理实现采用高分辨率、高采样率数据采集和虚拟仪器技术,使该系统可以保证声信号的精确测量和处理。作为声学测量中的一个应用实例,用薄球壳压电换能器的瞬态响应模型对系统的功能进行了测试。实验测量结果与理论计算基本相符,且具有较高的测量精度。     

一种压电换能器直接驱动钻具的超声波钻探器

为满足深空探测任务中,空间环境苛刻的外星体表面岩石钻取采样任务的使用需求,本文设计了一种基于压电驱动原理,可搭载在漫游车机械臂末端的超声波钻探器。超声波钻探器的压电换能器直接与钻具发生冲击碰撞,以驱动钻具作高频冲击运动,达到冲击破碎岩石的目的。设计了钻探器的压电驱动单元,并理论分析了压电换能器变幅杆与钻具的冲击碰撞过程。通过实验研究了超声波钻探器对砂岩的钻进性能及钻压力与钻具长度对钻探器钻进性能的影响。实验结果表明:所研制的超声波钻探器可对砂岩进行有效钻进,而且所需的钻压力较小,可用于彗星、小行星等弱引力场的地外天体表面岩石的钻取采样。     

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.     

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.     

基于压电陶瓷的高灵敏度光纤光栅电压传感器

提出了一种基于压电陶瓷与光纤布喇格光栅相结合的新型电压传感器,将光纤布喇格光栅牢固地粘贴在压电陶瓷叠堆上,构成传感探头.实验结果显示:在0~200 V的电压范围内,电压和波长移动之间具有良好的线性关系,线性拟合度高达0.990 8,线性调谐的波长范围约为1.5 nm,灵敏度为0.009 7 nm/V.