三叠片压电复合换能器弯曲振动的比较研究

用瑞利法对三叠片弯振圆盘换能器在三种不同边界条件下的振动特性进行理论研究,推导了谐振频率及有效机电耦合系数的表达式,通过数值计算分析了复合换能器的谐振频率及有效机电耦合系数随换能器各结构参数的变化规律并进行比较研究,同时将计算结果与有限元模拟结果比较,结果表明不同边界条件下换能器的结构参数对谐振频率和有效机电耦合系数影响不同:在换能器结构参数一定时,自由边界条件下谐振频率最大,简支边界条件下最小,固定边界条件下次之;有效机电耦合系数随着金属片厚度、陶瓷片厚度和陶瓷片半径变化时,分别有一个最大值;其他参数一定时,有效机电耦合系数在简支边界条件下最大,自由边界条件下的值稍大于固定边界条件下的值。上述研究结果可为三叠片弯曲振动换能器的设计和实际应用提供一定的理论支持。     

压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的径向振动

对由压电陶瓷圆环与金属圆环组成的复合振动系统的径向振动特性进行了研究。首先分析了压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动,推出了其各自的机电等效电路。在此基础上,得出了压电陶瓷圆环与金属圆环复合振动系统的机电等效电路及其共振频率方程。探讨了系统的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系。研究表明,当复合振动系统的壁厚比增大时,其共振及反共振频率升高。对于换能器的第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大而单调减小;对于换能器的第二阶径向振动,其有效机电耦合系数随壁厚比的增大会出现一个极大值,而且,在一定的壁厚比范围内,换能器第二阶径向振动的有效机电耦合系数大于第一阶径向振动的有效机电耦合系数,这一规律与传统的有关压电换能器的分析理论及结果是有所不同的。     

材料和结构参数对悬壁梁式压电振子机电耦合性能的影响

对材料和结构参数对压电和基板不等长的矩形截面悬臂梁式双晶压电振子机电耦合性能影响进行研究。由Hamilton原理推导了压电振子振动方程模型,并试验验证了模型的准确性。理论分析显示,当电路阻抗匹配时,转换效率最大,且当粘性阻尼系数相同时,最优转换效率随着机电耦合系数增大而增大。压电振子机电耦合系数和压电材料机电耦合因子成正比;随着压电与基板模量比增大,机电耦合系数增大;压电与基板密度比对机电耦合系数影响微弱;机电耦合系数随压电与基板长度比和厚度比都呈先增后减趋势,存在最优长度比和厚度比使机电耦合系数达到最大值。结构优化后的机电耦合系数随模量比的增加而增大;不同模量比和密度比条件下,最佳长度比变化较小,总体变化范围为0.6~0.7;模量比对最佳厚度比影响显著,随着模量比增大最佳厚度比减小。研究成果可用以指导压电振子的设计。     

L型匹配网络对超声换能器振动性能的影响

探讨了L型匹配网络对超声换能器振动频率的影响,从理论和实验两个方面给出了L型匹配网络与机电偶合系数的关系。通过对串联、并联的比较,并对几种方式下的匹配电路参数对系统有效机电耦合系数的影响进行分析,结果表明：通过合理选择匹配电路参数,L型匹配网络能提高压电换能器的有效机电耦合系数。     

压电振子的脉冲响应电压与厚度机电耦合系数kt的测试

一、前言 换能器压电材料最重要的参数之一是机电耦合系数,它反映了材料机-电能量转换的能力。压电陶瓷机电耦合系数的测试在目前主要采用传输线法,对一般薄园片压电振子测其径向机电耦合系数kr比较方便、准确。而用泛音比法测厚度振动模式的机电耦合系数kt,由于其它模式的干扰     

Fe-Ga合金发音振子换能器的多场耦合模型

建立了Fe-Ga合金弓张结构发音振子换能器电场、磁场和固体力学场的多场耦合模型,研究了发音振子换能器磁场强度、磁感应强度和应变分布情况,并进行了换能器在不同频率下的磁场强度分析和模态分析。分析发现,随着频率的增高,Fe-Ga合金发音振子换能器的磁场强度逐渐减小,计算得到换能器的共振频率为984 Hz。测试了Fe-Ga合金换能器中的核心元件Fe-Ga合金的磁场强度与应变的关系,当磁场强度饱和值为40 k A·m-1时,应变为70×10-6。搭建了磁致伸缩材料磁特性测试系统,测试了Fe-Ga合金磁场频率为5、20、50 Hz的磁滞曲线,并测试了Fe-Ga合金的应变随频率的变化曲线,实验结果与换能器中Fe-Ga合金的应变仿真结果一致。     

超声法测量螺栓轴向力的测量准确度分析

用超声法测量螺栓轴向力时,测量结果受多因素的复杂关联影响,这导致测量准确度偏低。为实现短螺栓(M8×37)紧固后轴向力值的准确测量,针对超声法测量螺栓轴向力问题进行理论分析,构建测量误差模型;对测量中的若干要素(如温度、探头位置与耦合状态等)进行分离、控制,分两阶段开展试验,研究多要素对测量结果的影响规律,探知可达的测量准确度。分析结果表明:用超声法测量螺栓轴向力时,声时差-轴向力系数对测量结果的准确度影响显著,故应对系数进行准确标定,使之与测量螺栓有效匹配;温度的波动、探头耦合状态的改变,使测量结果准确度降低,此时应采用温度补偿、二次回波分析法将这些因素的不利影响排除;探头摆放位置的不一致将使测量准确度显著降低,但可借助于相关分析方法对测量异常值进行识别与剔除。通过合理有效的测量工艺控制措施,可使超声法得到的螺栓轴向力测量结果具有较高的准确度,满足工程应用需求。     

用于超声清洗复合振动换能器的研究

本文研究了一种由纵向振动夹心式压电超声换能器与弯曲圆盘组成的用于液体中超声处理的复合振动辐射器。推出了恢复合振动系统的共振频率设计方程，分析了各个振动模式的机电转换特性及其声波辐射特性，测量了振动系统的共振频率及其有效机电耦合系数。从实验及理论结果可以看出，振动系统的频率测试值与设计值基本符合。在一定的共振频率上，该振动系统具有最大的有效机电耦合系数，是一种很有前途的功率超声辐射器。     

声弹效应测量螺栓轴向应力的有限元计算分析

为促进超声技术在定量评价螺栓拧紧状态中的有效应用,结合实际检测需求,对基于声弹效应的螺栓轴向应力测量方法构建了合适的有限元模型。使用二维轴对称方式模拟M8×25的螺栓,螺栓头部安放10 MHz的超声波探头;有限元计算时,采用具有默纳汉三阶弹性常数的超弹性材料,将结构场与声场进行耦合分析,通过前后两个研究步骤,确定出螺栓在轴向拉伸状态下的超声波形信号;有限元计算结果表征了声传播时间差(ns)、轴向载荷(MPa)间的线性关系,此线性关系随螺栓夹紧长度、螺栓材料的不同而相应地改变;计算表明,对基于声弹效应的轴向应力测量方法而言,线性系数的准确测定非常重要;对有限元计算结果进行深入分析,可知螺栓内部应力状态对于超声传播声时变化存在叠加影响;因螺栓夹紧长度不同会引起声弹效应的较大变化,在实际测量时应对此足够重视。有限元计算结果与解析计算结果、实际试验测试结果对比,结果吻合性良好;所建立的超声法测量螺栓轴向应力的有限元模型,解决了对声弹效应进行数值模拟分析的难题,可为检测方法分析、专用仪器研发提供技术指导。     

用于声化学的复合换能器的研究

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成。采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器。当复合振动系统振动模式的共振频率与纵向换能器的共振频率以及正六边形薄板弯曲振动的共振频率一致时,复合振动系统具有较高的有效机电耦和系数,系统声辐射能力较强;频率的理论与测量值的误差可能是设计纵向换能器时未考虑预应力螺栓、前后盖板的形状以及横向振动的影响,材料参数的取值与实际值有误差。弯曲振动的正六边形薄板的几何尺寸大,将会增大复合振动系统声波的辐射面积,因此可以改善局部空化腐蚀问题,并且可以提高槽内声场的均匀性,从而可以提高声化学产率;实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合。     

Effect of electric load impedances on the performance of sandwich piezoelectric transducers

Based on the electromechanical equivalent circuit, the sandwich piezoelectric transducer with adjustable resonance frequency is studied. The underlying theory of frequency adjustment is its piezoelectric effect. In this paper, the influence of electric load impedance (including electric resistance, electric inductance, and electric capacitance) on the resonance frequency, the antiresonance frequency, and the effective electromechanical coupling coefficient is analyzed theoretically and experimentally. It is demonstrated that the electric load impedance can change the resonance frequency, the antiresonance frequency, and the effective electromechanical coupling coefficient. When the electric load resistance is increased, the resonance frequency and the antiresonance frequency are increased; the effective electromechanical coupling coefficient has a maximum value when the electric load resistance changes. When the electric load resistance becomes large, the effect of the electric load resistance on the effective electromechanical coupling coefficient is negligible. When the electric load inductance is increased, the resonance frequency and the antiresonance frequency are decreased, whereas the effective electromechanical coupling coefficient is increased. When the electric load capacitance is increased, the resonance frequency, the antiresonance frequency, and the effective electromechanical coupling coefficient are all decreased. It should be noted that when the electric load impedance becomes large, the effect of the electric load impedance on the resonance frequency, the antiresonance frequency, and the effective electromechanical coupling coefficient of a sandwich piezoelectric transducer becomes negligible.     

Calculation and measurement of electromechanical coupling coefficient of capacitive micromachined ultrasonic transducers

The electromechanical coupling coefficient is an important figure of merit of ultrasonic transducers. The transducer bandwidth is determined by the electromechanical coupling efficiency. The coupling coefficient is, by definition, the ratio of delivered mechanical energy to the stored total energy in the transducer. In this paper, we present the calculation and measurement of coupling coefficient for capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs). The finite element method (FEM) is used for our calculations, and the FEM results are compared with the analytical results obtained with parallel plate approximation. The effect of series and parallel capacitances in the CMUT also is investigated. The FEM calculations of the CMUT indicate that the electromechanical coupling coefficient is independent of any series capacitance that may exist in the structure. The series capacitance, however, alters the collapse voltage of the membrane. The parallel parasitic capacitance that may exist in a CMUT or is external to the transducer reduces the coupling coefficient at a given bias voltage. At the collapse, regardless of the parasitics, the coupling coefficient reaches unity. Our experimental measurements confirm a coupling coefficient of 0.85 before collapse, and measurements are in agreement with theory.     

扭转振动压电超声换能器的研究

用声强技术检测区分板壳结构的空气传声与结构传声时，结构的辐射效率之差决定了检测结果的可信度，文中分析了实际结构的在声场激励下的实测辐射效率与无限大结构的空气传声辐射效率之差，及对区检测结果的影响。实验结果证实了理论分析。     

扭转振动压电超声换能器的研究

本文对夹心式复合结构压电超声扭转振动换能器进行了系统的理论研究，该换能器由两段金属真圆棒及切向极化的压电陶瓷圆片堆复合而成，文中首先研究了切向极化压电陶瓷细长管的扭转振动性，推出了其机电等效电路，并提出了压电陶瓷细长管截面扭转系数的概念。，     

低Qm压电振子机电耦合系数的标准计算方法的原理误差分析

压电材料的机电耦合系数通常由谐振及反谐振频率之间的相对间隔确定。常用的ＩＥＥＥ标准计算公式,是由描述理想无损压电振子的电行为方程推导得出的。本文结出了压电材料的固有损耗产生的谐振及反谐振频率的偏移及由此引起的标准公式的误差。代替以往分析时常用的等效电路方法,本文采用把损耗考虑在内的严格的压电振子导纳或阻抗模型。分析结果表明：由测得的谐振子及反谐振频率用标准公式得出的耦合系数小于材料的固有耦合系数;     

软模板法制备高频超声换能器用1-3复合压电材料

医用高频超声成像技术广泛应用于皮肤、眼睛及血管壁等人体组织的精细结构成像。1-3复合压电材料因具有较高的机电耦合系数而成为高频超声换能器的核心材料。传统的机械切割-填充、等离子蚀刻等1-3复合材料制备方法成本高、效率低, 难以实现工业化制备。本研究提出一种新的基于软模板的高频复合材料制备方法, 在获得高机电耦合系数的同时, 实现高性能1-3复合压电材料的低成本制备。研究采用微米孔径的软模板实现PZT粉的浆料填充, 通过热压烧结获得均匀竖立的PZT陶瓷微柱阵列, 进而制备出PZT/环氧1-3复合材料。对复合材料进行系统的机电性能测试, 并利用不同方法对复合材料的微结构及其均匀性进行表征。结果表明, 软模板法可使压电微柱具有完整的相结构和较高的成分均匀性, 能够实现较高的胚体压缩率, 提高陶瓷微柱的致密度, 同时形成了微柱阵列且微柱直径可控制在70 μm。软模板法有利于在提高复合材料超声频率(30~50 MHz)的同时获得64%的高机电耦合系数, 为医用高频超声成像以及超声生物显微镜等应用提供了一种高效的1-3复合压电材料工业化制备方法。