不同匹配层阵列式换能器的有限元仿真

匹配层材料及结构对于提高阵列式换能器的带宽、灵敏度及轴向分辨率有重要作用。为了探究不同匹配层材料对阵列式换能器性能的影响,该文通过有限元法模拟了包括高分子材料、0-3复合材料及镁合金等多种匹配层材料的阵列式换能器,综合比较了各自的频域特性及时域特性。仿真结果表明,使用AZ31B镁合金作为第一匹配层、Epo-Tek 301环氧树脂作为第二匹配层的阵列式换能器模型具有最佳的综合性能,从而为高性能阵列式压电超声换能器的开发、研究提供了新的匹配层设计参考方案。     

用于环形阵列的基于晶圆键合制备的CMUT阵列

与传统的表面微加工相比,基于晶圆键合制备的电容式微机械超声换能器(CMUT)具有更高的良品率和可靠性。提出了一种基于晶圆键合的CMUT制备方法,设计并制备了可应用于环形阵列的CMUT阵列。利用有限元仿真分析软件COMSOL Multiphysics建立了CMUT微元模型并进行仿真分析,在此基础上制备CMUT。换能器性能测试结果表明,CMUT中心频率为5.2 MHz,封装后中心频率为3 MHz,-6 dB相对灵敏度分数带宽为150%。此外,通过声学测试对换能器的发射和接收性能进行评估,其发射声压响应为161.37 dB@3 MHz,接收灵敏度为-214.68 dB@3 MHz。最后,利用该CMUT进行目标体检测,验证了该CMUT水下工作的能力,为后续超声层析成像的CMUT高密度环形阵列研究奠定基础。     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。     

超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析

提出了一种超声轴承用新型径向挤压式压电换能器,对换能器的机电特性进行了有限元分析。明确了有限元建模方法,从模态分析角度分析压电换能器的谐振频率和径向最大振幅,依据模态分析结果对压电换能器的幅频特性进行谐响应分析,采用正交试验法对换能器结构进行优化设计,制作最佳结构压电换能器样机,并进行工作频率测试。实验结果表明,换能器径向振动谐振频率的有限元计算值与实验结果具有良好的一致性,证明了有限元计算的正确性,为超声轴承用压电换能器的设计研究提供重要价值。     

声透镜指向性换能器研究

该文利用声学透镜使声波能量聚焦,实现小尺寸换能器窄波束声辐射。利用有限元方法分别建立了单凹面声透镜及双凹面声透镜仿真模型,优化了声透镜结构参数,设计并制作了双凹面声透镜指向性换能器,并在消声水池内对换能器样机和声透镜进行了性能测试。换能器样机辐射面积直径?120 mm,设置声透镜后,提高发送电压响应级4 dB,发射指向性-3 dB波束开角由76°变为约30°(@10 kHz),与仿真计算结果相符。实验结果表明,声透镜有效减小了换能器发射波束宽度,提高了换能器主瓣发送电压响应,验证了双凹面声透镜对优化换能器指向性的效果。     

水下管道超声导波检测实验研究

扭转模态导波T(0,1)对液体载荷不敏感,其用于水下管道检测是一种具有潜在吸引力的导波模态。基于T(0,1)导波,研制了一套可用于水下管道检测的新型换能器阵列,并在实验室环境中进行了系列检测实验。换能器采用厚度剪切型压电陶瓷作为敏感元件。卡具装置采用模块化设计,模块间通过销轴连接。这种设计使换能器阵列具有一定的柔性,并可方便拆卸各模块以满足不同直径管道对于换能器数量的要求。实验结果表明,换能器阵列能在水下管道中高效激励和接收T(0,1)模态导波。模拟损伤回波信号到达时间和幅度较好地反映了损伤的轴向位置及大小。换能器阵列具有安装简单,使用灵活的特点,为水下管道超声导波检测提供了有效手段。     

用于手机的微型声频定向扬声器

提出了一种用于手机的微型声频定向扬声器实现方法,该新型扬声器可将声音控制在发声单元正前方轴向传播,能为使用者提供免提的局部声音服务.4只直径为(φ)10 mm的锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷超声换能器组阵作为发声部件,换能器阵列谐振频率作为超声载波频率,数字信号处理器(DSP)芯片作为声频定向调制算法实现平台,D类超声功率放大器为阵列驱动器,诺基亚N73手机作为外壳,制作出了样机.对换能器单元及阵列阻抗、声压级频率响应等特性进行了测试和分析,对样机作了自解调可听声指向性测试和整机功耗测试.实验结果表明,样机尺寸、功率和声压级基本满足手机中的应用需求,为微型声频定向扬声器在便携式多媒体设备中的应用提供了实践依据.     

影响超声换能器阵指向性的几个关键因素研究

在声频定向参量阵发射系统中,需采用若干个超声换能器阵元组成发射阵列,换能器阵元的数目和排列位置会对发射阵的指向性产生重大影响.该文分别从单个阵元的指向性和不同形状的换能器阵列的指向性两方面进行了研究.仿真试验结果表明,对于单个换能器阵元,随着其尺寸大于波长,换能器呈现愈强的指向性;对于换能器阵列,面积相当、换能器个数相同的矩形换能器阵指向性优于圆形换能器阵,增加换能器阵列的阵元个数有利于抑制旁瓣,提高其指向性.     

一种应用于同时同频全双工阵列的UWB天线单元

分析了一种有限地共面波导结构的超短带(Ultra-wideband,UWB)槽天线单元,以及作为天线单元结构在同时同频全双工天线阵列中的应用情况。从阻抗匹配和辐射原理角度对该天线单元进行原理阐述,从全波电磁仿真层面进行分析计算,研制出原理样机进行测试验证。实测结果表明,与仿真分析一致,在8～18 GHz范围内测得的方向图与仿真分析结果具有较好的一致性。     

关于钹式压电复合换能器基阵的研究

研究了钹式压电复合换能器平面均匀串联基阵及并联基阵的等静压压电性能。钹式压电复合换能器平面均匀基阵具有1－3连通型复合结构的性能特点。连接阵元的基体材料是影响换能器基阵的等静压压电性能的关键,基体越柔软实测值与理论值越接近。钹式压电复合换能器平面均匀串联基阵及并联基阵的等效等静压压电常数及等效等静压灵敏值与阵列 单个钹式换能器的相同。     

非理想条件下换能器阵列指向性研究

该文针对非理想条件下换能器阵列指向性设计问题,建立了理论计算模型,并对呈正态分布和泊松分布的阵元振速及相位对换能器阵列三维指向性的影响规律进行了研究,通过仿真分析发现:非理想条件下换能器阵元性能的不一致性对阵列指向性的影响主要体现在指向性角和指向性三维对称分布两个方面,频率越低,影响越大;不同分布规律的阵元振速及相位对换能器阵列指向性的影响有差异,即其离散度越大影响越显著。该文提出的这种非理想条件下换能器阵列指向性的评估与分析方法可应用于指导换能器阵列指向性设计及大批量生产时换能器阵列指向性参数控制中,兼具理论指导意义与实际工程应用价值。     

检测发动机叶片的相控阵超声换能器设计

相控阵超声检测技术能够为发动机叶片表面裂纹的检测提供方法。设计并制作了满足检测要求的带有楔块的相控阵超声换能器,该换能器包含阵元和楔块,其中阵元为线阵,个数为32,中心频率为5MHz,阵元宽度为0.3mm,阵元间距为0.1mm;楔块与叶片的表面完全耦合。采用有限元法对相控阵超声换能器和楔块的设计理论进行可行性验证。同时,构建相控阵超声检测系统,对叶片试样进行检测试验,试验结果表明,设计的带楔块的线阵换能器能实现对试样表面裂纹缺陷的检测。     

Circular PVDF Airborne Transducer

With the required increased audio pressure of the parametric ultrasonic transducer array and the difficulty to theoretically analyse the complex ultrasonic structure in audio beam application, an computationally efficient model is desired to describe the characteristic of the parametric ultrasonic transducer array for the system design and optimization. By applying the symmetry boundary conditions at the mid-plane in the thickness direction, a finite element model based on the haft thickness simplification is presented to analyze the parametric circular transducer which is designed by gluing the poly Vinylidene fluoride film （PVDF）. The validity of the proposed model is confn＇med by a comparison of finite element analysis results with the theoretical value and experimental data, which show that they are making a good agreement with each other.     

一种电容式声压水听器的热粘性声学仿真研究

为了满足多领域中水下复杂环境声压检测的需要,提出了一种基于微机电系统(MEMS)的电容式声压水听器,开发出注油孔及注油沟道设计,将传感器封装于硅油中,通过平衡振动薄膜内外压强可以提高其耐受静水压能力。使用Comsol Multiphysics仿真软件对水听器建模,采取热粘性声-结构多物理场对传感器进行静态分析、模态分析及谐波声信号扰动下的灵敏度分析,在用有限元法分析模型时考虑了热效应与粘滞效应对小尺寸声学换能器的影响,使仿真结果更具说服力。得到了在幅值为10 Pa,频率在1 Hz～10 kHz的谐波声信号扰动下水听器的接收灵敏度为-147 dB。仿真结果表明,设计的电容式声压水听器据有高灵敏度和宽频带等特点,可以满足不同领域对水下低频声压信号的测量需求。     

宽带组合式水声换能器设计研制及应用

通用宽带换能器（含低频到高频）一般是将不同类型的换能器进行组合使用,单个换能器独立设计再组合成阵,其综合体积及质量均大,且安装后其性能指标受影响(如换能器开角变小等)。该文在分析当前国内外宽带换能器研究现状基础上,结合小型遥控无人潜水器（ROV）搭载探测需求,提出具体设计指标要求。将复合棒换能器与数个压电陶瓷圆环进行开放式一体化组合设计,在满足小型ROV安装要求的基础上,实现了发射3～100 kHz、接收1～100 kHz的超宽频带覆盖范围,且开角不小于70°。水池及湖上实航实验结果表明,研制的换能器与仿真设计相符,实航测量结果与国内外相关结论一致性较好,具有广泛的工程实用价值。     

圆管-线圈耦合宽带发射换能器有限元分析

圆管型换能器是水声中常见的一种发射换能器.为拓展工作频带,工程上可通过改进电端,将压电圆管与密绕线圈相串联来激发电路谐振,从而增加带宽,但有限元仿真中压电元件和电磁线圈无法直接耦合在一起.因此,针对圆管-线圈耦合换能器的仿真分析难度较大,该文提出了一种压电-电磁混合有限元仿真方法,通过在压电模型中增加电路接口,利用电磁...     

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SH0导波的电磁超声换能器设计与实验研究

传统基于周期性永磁体的电磁超声换能器结构较复杂,为此该文提出了一种由单一永磁体和导线阵列线圈构成的电磁超声换能器(EMAT)用于激发板中的SH0导波.首先叙述了设计的原理,并采用有限元软件进行三维数值仿真分析,利用水平极化永磁体垂直于板面的磁场在铝板中成功激发出SH0导波.为使EMAT换能效率达到最优,研究长和宽为10...