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。     

相控基阵中阵元的声耦合与阵的指向性

在实际的相控基阵的指向性设计中,基阵中各阵元声场的互耦合效应对阵的声学性能影响是很重要的.本文理论上计算了有限数目的无限长的柱形换能器阵元的多次互散射声场;计算了考虑到阵元的声耦合效应时,10元相控直线接收基阵在不同的ka和kd(k-波数,     

多波束声呐基阵一体化自校准方法

为了保证多波束测深系统的探测精度,在系统组装前需要对多阵元接收换能器基阵进行指向性测量和目标方位波束响应校准。针对常规方法中图像散焦问题存在的不足,本文提出了一种多波束声呐基阵一体化自校准方法,将换能器基阵和信号调理采集电路一体化测量,利用目标方位波束响应输出测量换能器基阵波束指向性。推导了阵元间距误差对测深结果产生的影响,采用聚焦波束形成技术,在小尺寸水池条件下开展校准实验研究。通过在水池中预先获得的方位波束角误差曲线,对多波束测深声呐外场实验数据进行了归位补偿,实现了多波束声呐基阵一体化自校准。实验结果表明:该方法能够保障多波束声呐的有效覆盖范围,具有较强的实用性和重要的工程应用价值与推广价值。     

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。     

水声基阵声学隔板声屏蔽性能研究

针对水声基阵艉部噪声屏蔽问题,设计了一种新型复合结构声学隔板装置。在仿真计算的基础上,采用声学隔板和声基阵,组建了试验装置,应用水声换能器综合参数测试系统和声呐信号处理系统,在开阔水域对声学隔板屏蔽水声基阵的声场特性进行了试验研究。试验结果表明,设计的声学隔板对声基阵艉向噪声遮挡效果与计算结果相吻合,屏蔽角满足声基阵观察范围,验证了设计的声学隔板满足声基阵艉部噪声控制。     

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.     

基于虚拟成阵技术的线列阵恒定束宽的波束形成

为了使基阵对不同的入射频率信号具有相同的空间响应,提出一种均匀线列阵宽带恒定束宽的波束形成新方法.该方法将宽带信号划分为多个子频带,每个频带可以近似为窄带信号.对于不同子频带信号,根据虚拟成阵技术,虚拟出一个新的线列阵,使虚拟阵的阵元间距为此频带信号的半波长,此时,输出的波束宽度为一个只与阵元个数有关、而与频率无关的恒定常数,从而达到恒定束宽的目的.计算机仿真和水池试验验证了此方法的正确性与有效性.     

压电相体积分数对1-3 型压电复合材料的性能影响

采用有限元软件仿真研究了不同的压电相体积分数对1-3 型压电复合材料性能的影响, 并进行了实验验证。结果表明: 当压电相体积分数按照47% 、52% 、68% 、74% 、100% 变化时, 串联谐振频率和并联谐振频率均随压电相体积分数增大而增大; 机电耦合系数在压电相体积分数为52% 时获得最优值0.698; 复合材料的频率常数、密度、纵波声速和声阻抗均随着压电相体积分数的增大而增大。有限元仿真与实验结果较为一致。该材料有望用于制备高性能的无损检测用超声换能器。     

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.     

MEMS钹式压电复合换能器的设计与仿真

在专业MEMS CAD软件ANSYS和Intellisuite中创建MEMS钹式压电复合换能器的实体模型,通过施加载荷分析钹式换能器在MEMS技术尺寸范围内的性能,包括模拟分析MEMS钹式压电复合换能器的力与位移的性能关系以及等效压电常数d33^c与MEMS钹式压电复合换能器形状参数的性能关系,仿真结果验证了所设计模型的有效性。设计了MEMS钹式压电复合换能器的工艺流程,在Intellisuite软件中给出相应结构物理模拟参数,工艺仿真结果验证了设计工艺理论上的可行性。     

Cymbal压电发电机系统

建立了Cymbal压电发电机发电系统,设计了DC-DC型能量存储电路并进行了压电发电性能研究。同时实验研究了占空比、电感等参数对压电发电性能的影响。研究结果表明,占空比这个DC-DC电路中的重要参数存在一个最佳值,使得负载的输出功率达到最大。在一定范围内电感对负载输出电压的影响不大,但对输出功率的影响比较明显。当占空比为2%、电感为1.5 mH时,压电发电机最大输出功率可达到10.5 mW。由Cymbal压电发电机产生的电能能够满足微型机电系统、网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。     

槽钹形压电复合换能器理论建模及有限元分析

为了解决传统钹形压电复合换能器在用作传感器和驱动器时，由于存在的环向应力，导致部分输出机械能损耗及换能效率不高的问题，提出一种新型高性能钹形压电复合换能器.该压电复合换能器通过对钹形金属片沿径向切槽以释放金属片中的环向应力的方法，使压电片的机电转换能量能够充分发挥出来，以提高换能器工作性能.通过对该槽钹形压电复合换能器进行压电学及力学分析，建立了槽钹形压电复合换能器的力学理论模型，并通过对不同槽数的槽钹形压电复合换能器进行输出力、输出位移及固有频率的理论计算及有限元分析，验证了槽钹形压电复合换能器较传统钹形压电复合换能器的能量转换率提高了86％     

1-1-3型压电复合材料宽带换能器

1-3型压电复合材料换能器带宽的拓展一般采用匹配层的方法,但匹配层的特性会随着时间的变化而变化,这会造成换能器性能的不稳定.将单端激励的原理引入1-3型压电复合材料,提出了一种新的压电复合材料结构,即1-1-3型压电复合材料.应用ANSYS软件建立1-1-3型压电复合材料换能器的有限元模型,然后进行结构优化,最终制作了...     

Simulation analysis of directivity and optimization of the array of the AlN thin film PMUT array

The relatively low piezoelectric constant of the aluminum nitride piezoelectric film limits the development and application of the piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer based on the aluminum nitride. Therefore, the directivity of the piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer array is studied for this problem. First, the far-field sound pressure and normalized directivity function of the transducer array are calculated according to the Rayleigh principle. Furthermore, the effects of array element radius, array element spacing, array element number and operating frequency on the beam width, direction sharpness angle and sidelobe level of the array are analyzed, and the transducer array is optimized. Finally, based on the optimization results, area and filling efficiency, the final structure size of the transducer array is determined and the sound pressure distribution visually simulated. The results show that the optimized transducer array has an ideal sound pressure distribution, good directivity and sharp main lobe. The-3dB beamwidth of the main lobe is about 9 ° and the sidelobe level is about 0.228.     

声表面波换能器电荷分布的有限元解

从压电本构方程和声场波动方程出发,在准静态近似的前提下,根据哈密顿原理,推导出压电结构的变分方程,建立了求解声表面波换能器电荷分布的有限元方程.以电极上加常电压为例,计算了两种情况下的声表面波换能器电极表面的电荷分布,为有关声表面波器件的结构优化和设计提供具有参考价值的器件参数.     

基于相控技术的钢板电磁超声检测方法

为了提高钢板中电磁超声回波信号,提出了一种基于相控技术的钢板电磁超声检测方法.研究了相控聚焦技术和钢板中电磁超声换能器的换能机理,通过多阵元组成激发换能器阵列,运用延时法使超声波在目标区等相位叠加,实现超声波聚焦,并在Q235钢板上采用分立式结构进行实验验证.结果表明:该方法有效弥补了收发换能器间声程差引起的相位偏移,激励电压一致时,658 mm处接收的回波信号幅值提高为中心换能器单独激发时的2倍;采用三阵元激励换能器阵列检测方法可实现缺陷处的超声波聚焦,520 mm处缺陷回波幅值提高为中心换能器单独激发时的1.83倍.     

基于虚拟仪器和软件无线电的BPSK、BFSK信号调制解调技术

为了快速、高效、低成本的构建一个水声通信实验系统,借助于虚拟仪器的概念和软件无线电的思想,对全数字BPSK与BFSK调制解调系统采用计算机仿真的方法进行了研究,在此基础上借助于NI公司的PCI-6221多功能数据采集卡和labview7.1编程软件完成了该系统设计.结果证明：由于水声通信使用的信号频率较低,可以将传统通信系统的上变频、下变频环节去掉,使宽带A/D、D/A尽量靠近发射、接收换能器.与传统采用中频模拟处理方法和数字基带处理方法的系统相比,该系统具有结构简单、可靠性高和灵活性好等优点.     

声全息测量基阵的设计与研制

对用于近场声全息（NAH）技术，测量大型声呐发射阵近场全息声压分布的线型水听器基阵，进行设计，研制，全息测量阵设计和研制的关键问题是它应能得到声场中复数声压（振幅和相位差）的真实数据，给出场中正确的声压全息面。本文估算了所设计结构的支撑架和水听器基座声散射对阵上水听器测量全息声压的影响；分析对基阵结构的加工工艺要求和提出如何实现这些要求的措施，实验结果表明设计的这套四分之一水型水声扫描线阵的阵元测量数据可靠，适用于大型声呐基阵NAH技术，并为大型全息测量线阵设计提供基础。     

三维成像声呐的设计与实现

讨论了一个三维成像声呐的系统结构、成像原理及其软件、硬件设计与实现中遇到的有关技术问题.由于采用了二维面阵,该系统可以在一次发射中获取一系列二维回波序列图像,处理单元则据此二维序列图像合成完整的三维声像.本系统的二维面阵由16×8个基元构成,跟随有128通道信号调节器(放大、滤波、自动增益控制等),其后是128通道并行A/D转换器和缓存.该128路并行数据经并/串转换及接口,通过光纤传至水上单元,经由水上单元的PC机及DSP处理器进行三维图像重建及显示.软件由三维成像模型及并行波束形成和聚焦算法构成.虽然该系统是为水下机器人声视觉而设计的,其在海洋工程和水下防卫中具有广泛的应用价值.