二维面阵子阵划分及PADBF算法研究

在雷达系统抗干扰优化问题的研究中,自适应数字滤波为主要手段。应用二维面阵子阵划分方法与部分自适应数字波束形成算法中,子阵划分是部分自适应数字波束形成技术为基础。针对二维面阵子阵划分,对降低子阵划分工程实现复杂度大,提出了等功率噪声法与遗传算法(GA)相结合的子阵划分方法,可使同一子阵单元紧密相邻同时避免栅瓣出现。为改善子阵级部分自适应数字波束形成波束旁瓣电平,采用归一法的部分自适应数字波束形成算法,可有效地对干扰进行抑制,显著改善波束旁瓣电平。通过建立二维面阵信号模型,对所提方法进行了计算机仿真,仿真结果证明了所提方法的有效性,可为雷达系统性能优化提供了依据。     

基于内窥超声环阵换能器的快速成像方法研究

随着超声快速成像技术的发展,诞生了一系列新型超声成像模态,大大提高了病变诊断的准 确性和特异性。但这些新技术都需要较高的成像帧率来实现对组织瞬时变化的精确追踪。然而目前已 有的几种快速成像算法都是基于线阵、凸阵以及平面阵的,还没有完全应用到内窥环阵换能器上,导 致这些新技术还无法很好地应用到内窥成像中。为此,该文研究了 3 种基于内窥超声环阵换能器的快 速成像方法,并进行了图像重建的理论推导以及仿真实验验证。结果表明,3 种快速成像算法都可以 将成像帧率提高到 1 kHz 以上,同时将横向分辨率限制在 2 mm 以内。     

硅微压电超声换能器的设计与制作

介绍了一种用ZnO薄膜作为压电层的硅微压电式超声换能器(PMUT).该硅微压电换能器的振动基膜采用LPCVD制作的氮化硅薄膜和PECVD制作的二氧化硅形成的复合振动膜结构.文中运用有限元方法对该硅微压电换能器的结构进行了模拟和计算,并进行了预应力对硅微换能器共振频率的影响的分析.实验测得硅微压电式换能器的共振频率为71.36 kHz.本文还使用该硅微超声换能器在油中进行了初步的共振频率点收发信号的实验,接收实验测得信号峰峰值为9 mV左右,发射实验标准水听器接收信号峰峰值为0.8 mV左右.     

基于横向场激励的高频压电超声换能器

介绍了一种基于横向场激励模式的高频压电超声换能器及其设计、分析和制作过程。采用扩展的Christoffel-Bech-mann方法对LiNbO3、LiTaO3和PMN-33PT三种不同压电材料的a模式横向场压电耦合系数进行了计算,发现这三种材料中LiNbO3具有最大的LFE a模式压电耦合系数,为28%。采用具有最大压电耦合系数的X切LiNbO3设计并制作了基于横向场激励的高频超声换能器,并采用传统的Pulse-Echo方法测试了该超声换能器的中心频率和带宽。实验测得该LFE高频超声换能器的中心频率为34MHz,-6dB带宽为14.4%。从理论和实验上证明了横向场激励模式可以应用于高频超声换能器。     

基于MC的生物膜多功能压电换能器研究

频率特性与生物膜的位置和大小的关系是设计多功能生物传感器的关键.设计了微悬臂梁MC(Micro Cantilever)、压电元件和生物膜组成的多功能传感器,用有限元方法分析了微悬臂梁的弯曲振动模型的固有频率与节点位置的关系,确定了如何选择固定两种生物膜的位置和大小的方法,实验和模拟结果表明正交节点位置的质量变化使频率具有正交响应.验证了利用有限元的频率振动模型分析设计多功能压电换能器的有效性.进而分析了设计可测量纳米质量的生物膜多功能MC的可能性.     

基于AlN的压电MEMS超声换能器阵列

针对目前超声换能器机电耦合系数较低的问题,本文设计了一种以氮化铝(AlN)为压电材料的微机电系统(MEMS)超声换能器阵列以提高机电耦合系数.在COMSOL Multiphysics中用模态分析确定了超声换能器工作在一阶模态下有最大的声场输出,并给出了其声场传播示意图.通过对超声换能器在工作状态时的应力分析,计算出当上...     

基于梯度遗传算法的压电换能器稳健优化设计

悬臂梁式压电振动换能器是一种新型的供电装置,其设计受到加工过程等不确定因素影响。从遗传算法和田口稳健设计的理论方法出发,结合悬臂梁式压电振动换能器的理论模型,设计了以输出平均功率为优化目标的稳健优化设计方案。利用目标函数的梯度信息加速遗传算法的收敛,以遗传算法产生的每一代种群的最优个体作为内表中的一组数据,利用外正交表计算优化目标的信噪比,对优化目标信噪比进行对比分析,得到一组最优设计参数。将该组数据对应的换能器与其它优化方法得到参数对应的换能器性能进行对比,表明该组参数下,换能器有较好的工作特性。     

基于压电式微机械超声换能器阵列的无线能量传输设计

利用氮化铝薄膜压电微机械换能器(PMUT)的生物兼容和CMOS电路兼容特性,提出了一种基于上述换能器阵列的声学无线能量传输方法。为了得到最佳的输出性能,对PMUT的结构进行了优化设计,采用派瑞林封装保护PMUT的空腔和表面结构,分析了PMUT在不同介质中的电学和频率性能,采用高密度并联阵列降低器件阻抗、提高了总输出电流,对PMUT及其应用电路进行了设计与仿真。PMUT在压电薄膜层与钼底电极厚度比在2∶3至1∶2,顶电极与空腔半径比为0.7时获得最大输出性能,当空腔半径控制在35μm至43μm时,PMUT在水中的谐振频率约为2 MHz。本研究为设计高灵敏度、小型化、无毒无铅的无线能量传输系统提供了一种高集成度、高生物兼容的解决方案。     

压电换能器瞬态接收特性的有限元模拟研究

接收信号在压电换能器压电层中的多次反射及波形转换对超声检测的灵敏度和分辨率有重要影响,如何优化阻尼结构与材料参数是提高压电换能器接收性能的关键之一。本文用ANSYS有限元软件中的力-电耦合瞬态模拟方法,研究了压电直探头中阻尼结构的几何尺寸及声阻抗对其瞬态响应的影响,得到了压电换能器中不同时刻的弹性波场、电场分布以及输出电压响应曲线,揭示了换能器瞬态响应产生的多次反射波对其检测灵敏度和分辨率的影响。研究结果表明：通过改进的阻尼结构与材料参数对消减接收信号的多次反射,缩短余振时间具有明显的作用,也可以大大降低换能器的研发周期和成本。     

压电换能器电端匹配电路的优化

压电换能器长时间、大功率工作时,其各种电参数会随环境因素,特别是自身温度变化而改变,这种变化直接影响电声转换效率.本研究在分析压电超声换能器电感电容匹配电路原理的基础上,按照各项性能参数改变对电端匹配电路的影响规律,提出在一定变化范围内该匹配电路参数的优化方法.     

导波激励/接收压电换能器参数检测电路的设计与实现

提出了一种基于π网络零相位法的测量压电换能器谐振频率、反谐振频率和静电容的新方法,并据此设计研制了试验测量装置,对压电换能器的谐振频率、反谐振频率及自由电容等参数进行测量。经过试验测试,该装置可以实现压电换能器基本参数的测量。     

减小超声测距盲区方法的研究

本文提出一种简单有效的方法来减小超声测距中的盲区.用单片机作控制核心,实时改变起声波的发射功率以减小换能器的余振,改变发射功率同时有助于提高接收电路中自动增益控制电路的性能.文中提出的超声发射电路结构简单,在小量程测距范围内有很强的实用性.     

气体超声换能器动态性能测试方法研究

针对超声换能器性能差异影响气体流量测量的问题,提出了一种超声换能器动态性能测试方法。首先,根据回波信号的特征,以回波信号上升波形的相似度确定最优高斯模型。然后,通过人工鱼群算法计算出高斯模型的最优特征参数。最后,将最优特征参数进行归一化,计算超声换能器间的欧式距离,以评价超声换能器的动态性能一致性。在此基础上,设计了动态性能测试系统。系统对被测超声换能器的接收信号放大、滤波后,进行高速采样,再将数据发送至上位机进行高斯建模、参数估计和一致性评价。试验结果表明,超声换能器的动态性能一致性越好,超声流量计的测量误差和重复性越小。该方法对于提升气体超声流量计的小流量性能具有重要作用。     

电容式微机械超声换能器的发射性能研究

电容式微机械超声换能器相较于传统的压电式超声换能器具有宽频带、高密度阵元集成制造、微型化等优势,在医学成像、无损检测,水下成像等应用中具有广泛的应用前景.本文利用硅微加工技术制备了一种微型电容式超声换能器,并对换能器发射性能进行测试并对结果进行分析.测试结果表明:该换能器具备发射超声波的能力,其发射的超声波在硅油液体中...     

基于FPGA的超声相控阵发射系统设计

创造性地将水下超声成像技术与相控阵发射技术相结合,利用FPGA丰富的I/O引脚接口与内部逻辑资源,设计了一种超声相控阵发射系统,分析了超声波换能器激励信号的D/A转换和放大调理电路,结合超声换能器对该系统进行了实验验证,实验表明该系统可以实现超声信号的相控阵发射,电路性能稳定,易于集成,为水下超声成像系统的小型化提供了一种可能,具有较强的参考价值.     

基于工业机器人的超声换能器回波自动测量系统设计

针对医用超声换能器回波测量中存在的自动化水平低、测试人员主观判断对结果产生很大影响等问题,基于工业机器人设计了一套超声换能器回波自动测量系统。详细阐述了回波自动测量系统设计思路,对系统构建的关键——自动对位功能的实现方案进行了对比分析,在Matlab环境中开发了完整的参数设置、自动对位和回波采集与处理程序,对自动对位算法进行了详细描述。试验结果表明该系统达到了设计指标,灵敏度测量的偏移系数小于0.5%,能够满足日常工作中的测试需要。本工作为医用超声换能器研发、生产全流程的智能制造打下了良好的基础。     

基于Yamada 模型的压电复合材料吸声性能的研究

提出了一种运用Yamada微观模型来分析压电复合材料吸声性能的方法.首先,建立了0-3型压电陶瓷/橡胶复合材料的被动吸声模型;然后,运用Yamada微观模型获得0-3型压电陶瓷/橡胶复合材料的等效参数,并将此等效参数嵌入到吸声模型;最后,对不同参数下的压电复合材料的吸声系数进行了理论计算和对比分析.结论表明:压电复合材料被动吸声时,聚合物对声能量的衰减起主要作用。     

超声换能器发射激励能量利用率的研究

在全数字化B超或者是彩色B超当中前级收发电路和回波的质量直接影响到整个产品的性能;而超声换能器发射激励的不同更大程度上决定了超声图像的质量.在试验中发现利用双极性发射,3.5 M探头回波信号的峰峰值达到了1 V,而单极性的回波信号只有500 mV左右;这说明了不同发射激励对图像质量有很大的影响,而双极性发射方式的能量利用率最高,可以有效地控制发射频率,从而使变频等效果明显的显现出来,能够提高回波信号的质量.     

基于收发一体聚焦超声换能器的浅表组织损伤实时监测研究

在聚焦超声治疗浅表组织疾病过程中,尚无有效的手段对焦域组织损伤进行监控。以聚焦超声换能器为基础,构建了一套超声治疗和损伤监控一体化的超声脉冲回波信号监测系统。将获取的超声脉冲回波信号进行滤波,提取焦域范围内的回波信号包络,进而得到包络信号的积分值,用该积分数值大小来表征超声脉冲回波信号的强弱。计算出回波信号的相对变化值,从而分析出回波信号的相对变化与组织损伤的关系。离体牛肝实验结果表明：在相同辐照模式下,随着辐照回合数增加,回波信号相对变化值随之增大,组织损伤面积也随之增大。根据换能器接收的回波信号变化可以判断离体组织亚毫米级损伤的形成,且回波信号的强弱与离体组织损伤大小吻合度良好。这为聚焦超声治疗浅表组织疾病提供了一种具有一定应用前景的损伤监测方案和手段。     

基于Halbach原理的电磁超声换能器永磁铁设计

在实际应用中,电磁超声换能器（electromagnetic acoustic transducer,EMAT）的转换效率低是一个普遍存在的问题,如何提高其检测效率是研究的重点。为了提高接收信号的幅度,对比了两种永久磁铁结构,选定了一种基于Halbach阵列的永磁铁的新型结构模型。对磁铁的提离距离做了仿真分析与实验研究,得出最合适的提离距离为2mm。通过理论计算与有限元方法的大量仿真与结构优化,验证了其结构的可行性与有效性。结果表明,新型EMAT结构能够有效提高接收信号的幅度,信噪比大约是传统EMAT结构的1.9倍。