高性能PMN-PT系铁电单晶在医疗超声中的产业化进展

PMN-PT系铁电单晶因其出色的压电和高机电耦合系数的特性,在超声换能器领域具有非常好的应用前景。近年来,我国一些研究团队在铁电单晶的理论研究和晶体生长上取得了突破性成就,为铁电单晶在医疗超声领域的大规模应用奠定了坚实的基础。文章概述了近年来一些研究团队在铁电单晶上的研究进展,以及医用超声换能器领域中使用铁电单晶的工作进展,总结了国内超声企业在铁电单晶换能器产业化的进程。     

厚度振动换能器降耦合结构优化与工程应用

厚度振动是高频换能器的常用振动模态。对压电圆片而言,横向方向的耦合总是存在的,不存在理想的厚度振动模态。若压电圆片的尺寸比例合适,横向耦合较弱,若尺寸比例不合适,横向耦合会很强。耦合会使振子表面振动位移反相,频响曲线出现多个难以区分的谐振峰,对换能器的发送电压响应、指向性等产生负面影响,对某军用型号工程中利用该振动模态工作的换能器的生产质量有较大影响。通过对压电振子的振动模态、耦合振动频率等理论和仿真计算,开展频率优化研究,降耦合对换能器的影响分析以及试验验证,仿真分析和试验结果表明:中心孔对圆片高频换能器模态振动具有明显的降耦合作用,可提高圆片换能器的发射能力,改善指向性特性,解决了该类换能器生产质量不高、成品率低等问题。     

计及横向振动的夹心式功率超声压电换能器

研究了大尺寸夹心式压电换能器的耦合振动。通过引入各部分的振动耦合系数及等效弹性系数,推出了换能器的耦合振动频率方程。与一维理论比,本方法不受换能器横向尺寸的限制。与数值方法比、本方法无需电子计算机就可迅速得出结果。实验表明,本方法得出的夹心式换能器的共振频率比一维理论得出的结果更接近于实测值。     

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。     

新型换能器材料--单晶的研究进展及其应用

本文简介了单晶材料的研究历史,发展过程.重点论述了近几年国内外单晶材料研究的实质性进展,特别是换能器应用的新成就.通过对驰豫型单晶材料的性能分析,期望在声纳换能器、医用超声换能器、成像技术、无损检验以及振动控制等技术应用领域不断有新的突破.     

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。     

纵横耦合振动夹心式压电超声换能器的研究

本文利用解析方法研究了大尺寸及高频夹心式压电超声换能器的耦合振动。通过引入各部分的振动耦合系数及等效弹性系数，推出了换能器的基模耦合振动频率方程。与数值方法相比，由于计算公式具有简单的解析表达形式，因此无需电子计算机就可迅速得出结果。实验表明，本文理论得 出的夹心式换能器的共振频率比一维理论得出的结果更加接近于实际测量值。     

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。     

基于剪切振动模态的压电复合材料应用于水声换能器的研究

压电陶瓷的剪切振动模态因其独有的剪切形变和高压电常数、高机电耦合系数以及介电常数低等特点,在压电俘能器、新结构复合材料换能器方面有着不俗的表现。通过设计具有特殊结构的过渡层,探索压电陶瓷剪切振动的利用方法,将压电陶瓷产生的剪切振动转化为复合材料的厚度振动,以此来满足水声换能器的要求,进而提高复合材料的压电性。通过有限元分析和实验验证,研究了该设计中结构参数、过渡层材料种类对复合材料整体性能的影响。     

准1-3复合型压电换能器的研制

水声高频换能器在水声领域具有广泛运用,然而常规厚度振动高频换能器在高频段存在强烈的高次径向耦合振动,制作出的换能器出现了阻抗曲线杂乱,相位一致性差,电声效率低的问题。设计制作了一种单一振动模态的换能器,通过将常规厚度振动换能器陶瓷片切割成密排矩形颗粒,再用环氧树脂将切缝填充满。制作两片直径为55mm的准1-3复合材料,由该材料制作的换能器谐振频率为293kHz,谐振点阻抗50,3dB阻抗带宽23.5 kHz,3dB开角为5.75°,50W电功率输出声源级达到217.5dB。通过该工艺可以消除高频厚度振动换能器的高次径向耦合振动,提高高频厚度振动换能器的电声转换效率和一致性,并能实现批量制作,为高频换能器在水声领域的广泛运用提供了新的手段。     

PIMNT单晶弯曲圆盘换能器设计

新型弛豫铁电单晶材料铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体(Pb(In_1/2Nb_1/2) O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3) O₃-PbTiO₃, PIMNT)的压电系数是陶瓷材料的 6 倍以上,应变量高出压电陶瓷 10 倍以上,具有较高的机电耦合系数,压电性能优于传统 PZT 材料。文章将单晶材料应用于带空气腔的弯曲圆盘换能器中,利用 ANSYS 仿真软件优化换能器结构,确定换能器尺寸,设计制作 PIMNT 压电单晶换能器和PZT4压电陶瓷换能器,并进行了水池实验。换能器实测结果与仿真结果保持一致,单晶换能器的谐振频率为 2.85 kHz,最大发送电压响应为 136.3 dB。结果表明,相比于同尺寸的陶瓷换能器,将 PIMNT 压电单晶应用于弯曲圆盘换能器可降低谐振频率,提高发送电压响应,提升换能器的工作性能,为进一步改善单晶换能器综合性能提供参考。     

一种带障板宽波束宽带纵振动换能器

介绍了一种带障板宽波束宽带纵振动换能器。通过将纵振动换能器的纵振动模态和前盖板弯曲振动模态有效耦合来达到拓宽换能器工作频带的目的;并提出利用反声障板边界结构大幅度增大发射波束宽度的方法。利用有限元软件分析了其在水中的特性。分析结果表明,通过纵弯模态耦合方式可有效拓宽换能器的频带宽度;通过障板在纵振动换能器中的应用可有效调节纵振动换能器的波束特性,从而实现宽波束的目的。实际制作该换能器并测试了其在不同情况下的性能,测试结果表明:有限元分析结果跟实验测量结果吻合。在9.5~18 kHz的频率范围内实现了发送电压响应起伏不超过3 dB的宽带工作;在11、12、13、14 kHz,实现了120°~160°的宽波束。     

一种深水宽带换能器

深海潜水器是支撑探查和开发深海资源、开展深海科学研究、进行深海工程作业的重要装备,作为深海潜水器上的重要部件,可在超深水工作的声学换能器具有广泛的应用前景。介绍了一种深水宽带换能器的设计方法,采用纵弯换能器,该型换能器利用纵向振动和前盖板弯曲振动相互耦合,具有宽带工作的特点;换能器封装在带有压力平衡装置的耐压外壳中,耐压外壳采用钛合金材料,外壳及换能器内部充有硅油。实际测试表明,换能器最大工作深度可达7000 m,最大声源级大于195 dB,工作频段7~15 kHz,覆盖了深海探测领域常用的频段,具有良好的适应性和广泛的应用前景。     

High-frequency ultrasonic transducer fabricated with lead-free piezoelectric single crystal

High-frequency (25 MHz) ultrasonic transducers with Na(0.5)Bi(0.5)TiO(3)-BaTiO(3) (NBT-BT) lead-free piezoelectric single crystal as the active elements are fabricated and characterized. The impedance measurement reveals that the poled [001]-oriented NBT-BT single crystal exhibits a high thickness electromechanical coefficient k(t) of 0.52 and a low clamped dielectric constant of 80. The -6-dB bandwidth of the transducer is 46.16% and the insertion loss at the center frequency is -31.89 dB. The good performance of the transducer indicates that the NBT-BT single crystal would be a promising lead-free material for ultrasonic transducer applications.     

高频宽带换能器研究

主要研究高频换能器的匹配层技术,通过匹配层技术拓宽换能器的频带,首先利用等效电路法分析高频匹配层换能器,其次通过Matlab仿真分析匹配层材料的密度、声速、厚度变化对换能器电声参数性能的影响,进而对其电声性能进行优化设计,最终制作出一高频宽带换能器。通过实验测得结果与仿真结果基本一致,实验测得换能器的最大发送电压响应为178dB,工作频带为260～370kHz,带内发送电压响应起伏为-3dB,300kHz时换能器指向性-3dB开角为6．5°。     

自由端盖四梁凹形宽带弯张换能器设计

针对凹形弯张换能器改善低频宽带工作特性的技术需求,提出了一种自由端盖四梁凹形弯张换能器新结构。结构中将纵向振子的端部设计成弹性辅助梁,与主弯曲梁连接构成复合弯曲梁。同时为了克服弹性辅助梁对振动辐射带来的不利影响,引入了由纵向振子驱动的方形自由端盖并以此构成新的辐射端面。利用有限元软件分析了这种新结构弯张换能器的多模振动特性,模态分析表明换能器的前五阶模态是可利用的主要工作模态,频率间隔可以通过敏感结构参数进行调控。通过优化给出了一种设计方案,换能器整体几何尺寸为 140 mm×140 mm×396 mm,仿真分析了换能器在水中的导纳特性和发射电压响应曲线,结果表明：换能器最大发射电压响应大于 145 dB,发射电压响应起伏小于 6 dB的工作频带为 1.5~4.3 kHz,发射电压响应起伏小于 10 dB的工作频带为 1.5~8 kHz,具有低频宽带大功率工作特性。     

基于零阶算法的矩形面宽带纵振换能器设计

传统换能器的优化一般采用试算修改的方式进行,这样的方式在待优化参数较多时不仅比较繁琐而且有可能会漏掉各参数组合下较好的设计点,对此提出了利用零阶算法进行换能器多参数联合优化设计的方法。建立了一种带宽评价函数,通过该评价函数和零阶算法尝试了对矩形面纵振换能器带宽的优化设计。经有限元仿真和样机测试表明,两款换能器的性能达到了预期指标要求,实现了宽带工作。得到的两款宽带换能器性能为:1#换能器工作频带为10~21.5 kHz,带内起伏约3 dB,发射电压响应大于134 dB;2#换能器工作频带为7.5~31.5 kHz,带内起伏约6 dB,发射电压响应大于131 dB。该方法可以作为换能器设计的一种新方式。     

Dual-electrode CMUT with non-uniform membranes for high electromechanical coupling coefficient and high bandwidth operation - [correspondence]

In this paper, we report measurement results on dual-electrode CMUT demonstrating electromechanical coupling coefficient (k²) of 0.82 at 90% of collapse voltage as well as 136% 3 dB one-way fractional bandwidth at the transducer surface around the design frequency of 8 MHz. These results are within 5% of the predictions of the finite element simulations. The large bandwidth is achieved mainly by utilizing a non-uniform membrane, introducing center mass to the design, whereas the dual-electrode structure provides high coupling coefficient in a large dc bias range without collapsing the membrane. In addition, the non-uniform membrane structure improves the transmit sensitivity of the dual-electrode CMUT by about 2dB as compared with a dual electrode CMUT with uniform membrane.     

Optimization of composite transducer designing in high frequency applications

The main obstacle to constructing a wide bandwidth and high frequency composite transducer comes from its internal vibration field fluctuation, which is aggravated as frequency increases. We found an optimized structure of 2-2 composite in which the vibration field in both phases remains nearly uniform over a wide frequency range and the piezoelectric coupling coefficient reaches its maximum value simultaneously. This article also proposes a modified representation to calculate more precisely the effective piezoelectric coupling coefficient when the vibration fluctuation has been taken into account.