基于COMSOL Multiphysics超声波电机的谐振特性分析

基于COMSOL Multiphysics对超声波电机压电振子谐振特性进行了理论分析,建立了超声波电机压电振子的实体模型,仿真计算出了压电振子的谐振频率,确定超声波电动机的最佳工作频段,提出了电机与驱动电路匹配方法.试验结果表明:当对压电振子施加幅值为100 V的激励电压后,软件分析和数学计算基本一致,可见仿真分析方法的可行性,为研究超声波电机谐振特性提供了一种简便的计算方法.     

椭圆振动切削换能器的阻抗匹配研究

通过对换能器阻抗特性的分析,提出了一种适合超声波椭圆振动切削的压电换能器匹配方式.将换能器的工作频率选择在非谐振区内,使双激励压电换能器谐振频率不同的两组压电振子能在相同频率下协调工作.在选定的工作频率下,换能器两组压电振子间的交叉干扰很微弱,两个方向的振动可独立控制.超声波椭圆振动切削加工过程中,换能器两支路相位差变化小于0.5°,输出椭圆振动稳定.     

AlN薄膜异质结构声波激发特性研究

该文分别开发了两种基于AlN压电材料和原子数分数为10%的Sc掺杂AlN压电材料的薄膜叠层异质谐振器。通过有限元仿真和实验对比分析了器件的频率温度性能和Sc掺杂对谐振器声激励的影响。结果表明,Sc掺杂可能会影响压电薄膜叠层谐振器所激励声波的谐振频率、机电耦合系数和对应的频率温度系数(TCF),且对所激励声波的正反谐振点的TCF影响不同。此研究在传感及滤波器件领域极具应用潜力。     

横向电场激励的LiNbO_3压电谐振器的仿真分析

该文对横向电场激励下的(yxl)-58°LiNbO_3压电谐振器的高频振动进行了研究。首先,基于Mindlin一阶板理论,计算了压电谐振器的模态频谱关系,得到晶体基板长厚比;然后,利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立了谐振器的三维有限元模型,通过增加厚度方向网格扫掠层数的方法,验证了仿真模型的网格无关性;其次,通过特征频率计算与频域计算得到了谐振器一阶厚度剪切模态频率值;最后,通过改变电极与晶体板质量比以及电极间距的大小,获得了不同尺寸参数对谐振器高频振动特性的影响规律。仿真分析结果表明,电极与晶体板的质量比同谐振器谐振频率成负相关,质量比越大,谐振频率越小;电极间距值与谐振频率成负相关,间距值越大,谐振频率越小。     

1-3-2压电复合材料机电理论分析和频率仿真

该文研究了1-3-2压电复合材料的厚度振动谐振频率与尺寸的关系。应用压电学和弹性动力学理论建立了机电等效图,对1-3-2压电复合材料的厚度振动模态进行了机电理论分析,并对其谐振频率进行了计算。利用有限元仿真软件分析了在厚度振动模态下,1-3-2压电复合材料谐振频率、反谐振频率与尺寸变化的关系。结果表明,纵向尺寸比变大时,频率曲线呈下降趋势;横向尺寸比变大时,频率曲线呈上升趋势;横纵尺寸比变大时,频率曲线呈缓慢下降趋势;基底厚度变大时,频率曲线呈先减小后增大趋势。4种情况中,纵向尺寸比对于整体的谐振和反谐振频率影响最显著。     

薄膜体声波传感器的有限元仿真与分析

薄膜体声波滤波器(FBAR)传感器的性能受结构和材料特性的影响很大。该文利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,建立了FBAR传感器的二维、三维有限元结构模型。用氮化铝和氧化锌材料作为压电薄膜对建立的模型做了固体力学和静电学仿真分析,得到了FBAR传感器的谐振频率、导纳特性曲线和谐振频率处的位移分布情况。通过分析发现氮化铝压电薄膜阻抗特性曲线更平滑,而氧化锌压电薄膜存在明显的寄生谐振峰的问题。针对氧化锌压电薄膜存在的寄生谐振峰进行了优化,仿真分析了电极边长尺寸和电极厚度对寄生谐振的影响,实现了对寄生谐振峰的有效抑制。     

基于COMSOL的小尺寸SAW滤波器仿真

针对基于钽酸锂压电基底的小尺寸边缘反射型声表面波（SAW）滤波器,该文采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对该SAW滤波器进行建模仿真,并进行了固体力学和静电学物理场的有限元仿真分析。同时讨论了电极材料、电极厚度对其导纳曲线谐振频率和反谐振频率的影响,证明了电极厚度能够影响器件导纳曲线的寄生谐振,且选定导纳曲线中寄生谐振最弱时的厚度为该电极的最佳厚度。最后选用厚度为1.6 μm的Al作为该小尺寸SAW滤波器的电极,并对不同基片端面位置下的传输响应进行仿真分析。常规的二维FEM仿真结果表明,当基片边缘端面距叉指换能器(IDT)边缘为0时,器件的中心频率为126.35 MHz,插入损耗为-2.57 dB,-3 dB带宽为3.3 MHz。该仿真结果与经COM模型模拟获得的响应结果具有较高的匹配度,从理论仿真角度进一步证明了大介电常数基片端面反射可以等效为一个强反射的反射条。     

压电式微固体模态陀螺谐振频率自动跟踪电路

压电式微固体模态陀螺振子通过交变电压激振、传感电极感应出电荷。当激励电压频率为某阶振动模态谐振频率时,感应电荷达到最大值。设计了谐振频率自动跟踪电路,使陀螺稳定工作在谐振模态。使用现场可编程门阵列(FPGA)控制直接数字频率合成器(DDS)产生频率精确可调的激励电压,驱动陀螺振子振动。检测谐振点对应的激励电压和感应信号间的相位差,作为反馈信号调节激励电压频率。实验结果表明,当相位差锁定区域处在98.48°~100.27°时,振子感应电极输出信号最大,振子处于谐振状态,实现了振子谐振频率的跟踪锁定。该系统可用于以谐振器为核心器件的振子工作模态锁定与跟踪。     

一种直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器

提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04μW,测试输出功率最大为5.79μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。     

基于压电换能器的液滴驱动模型研究

基于智能车辆视觉传感器表面除水的需求,该文提出了一种利用压电换能器激励兰姆波以驱动液滴运动的装置,并建立了压电振子和弹性体平板的二维有限元模型。首先运用COMSOL Multiphysics仿真软件对自由边界条件下的压电振子进行频率分析,得到前4阶特征模态,第2阶模态具有最大的结构相对位移,其特征频率为谐振频率;然后对压电振子所激励的兰姆波在平板中的传播特性进行了分析。结果表明,兰姆波在板中出现明显的频散特性,并通过改变压电振子间隔激励A₀模态占主导的兰姆波,以提高液滴驱动效果。通过实验验证了兰姆波驱动液滴模型的可行性。     

电极激励超声谐振谱压电材料定征技术

超声谐振谱(RUS)是一种压电材料单样品定征技术,避免了多样品造成的结果不自洽问题.现有的谐振谱激励方法常使用超声换能器定点激励-拾取,需要有复杂的测试装置.该文提出了一种电极激励-拾取法来获取压电谐振器的超声谐振谱,该方法测试装置简单,同时还可获得模态振型的对称特性,避免了反演过程中峰丢失和错峰拟合.基于现场可编程门...     

各向异性板中激光激发Lamb波的数值模拟

基于谱有限元法和模态展开法,针对各向异性薄板,建立激光激发Lamb波的数值模型,得到各向异性薄板中Lamb波沿不同方向传播的色散曲线及Lamb波的传播特性。数值模拟结果表明,谱有限元法能快速有效地计算各向异性板中导波的相速度、群速度,结合模态展开法能够得到任何方向激光激发的Lamb波;Lamb波沿不同方向传播的速度及色散特性与材料的各向异性性质相关。数值模拟为更好地理解复杂介质中导波的传播、指导激励信号的选择及识别检测信号的模态提供了理论依据。     

Ultrasonic studies of solids

Ultrasonics is being used in many areas in solid-state physics. One is Fermi surface mapping of normal metals by the magnetoacoustic technique. The detailed knowledge gleaned is valuable in theoretical calculations of many of the electrical and optical properties of metals. Another area is that of ``hard' superconductors. Measurements of ultrasonic attenuation in the study of the metallurgical microstructure of high-field superconducting alloys (such as the Nb-Zr alloys) could have technological significance, especially in the field of power transmission. A new ultrasonic tool has been developed to aid investigations?the depletion layer transducer. It has prominent advantages over a conventional quartz piezoelectric transducer, including a higher fundamental frequency and the ability to change the resonant frequency by varying the dc bias level. Along with the new transducer, a new piezoelectric semiconductor amplifier produces substantial amplification of ultrasonic waves in photoconductive CdS by applying a dc electric field in the direction of wave propagation. This feature could find use in acoustic delay line technology.     

基于夹心式压电换能器的超声刀设计

针对橡胶等难切割材料的加工问题,该文设计了一种基于夹心式压电换能器的超声刀。根据振动及波动理论设计了夹心式压电换能器及其变幅杆。利用有限元分析软件ANSYS 14.0对超声刀进行了模态分析,得到了超声刀工作模态的谐振频率。最后搭建实验测试平台,通过实验测出了样刀的谐振频率,并进行了功率和切割效果测试。实验结果表明,随着负载的增加,超声刀的功率呈线性变化,且负载相同时,输出功率随驱动电流的增大而增大,参考电流分别为200 mA、250 mA、300 mA时,对应切割7张纸的功率分别为3.7 W、4.1 W、5.9 W,功率特性良好。与普通刀具相比,超声刀切割时,切口更光滑整齐,切割效果良好。     

Piecewise linear current density recursive convolution FDTD implementation for anisotropic magnetized plasmas

The piecewise linear current density recursive convolution (PLCDRC) finite-difference time-domain (FDTD) method for isotropic dispersive media greatly improves accuracy over recursive convolution (RC) and current density recursive convolution (CDRC) FDTD approaches but retains its speed and efficiency advantages. This letter extends this approach to anisotropic magnetoactive plasmas which incorporates both anisotropy and frequency dispersion at the same time, enabling the transient solutions of electromagnetic wave propagation in anisotropic magnetoactive plasmas. The high efficiency and accuracy of the method are confirmed by computing the reflection and transmission through a magnetized plasma layer, with the direction of propagation parallel to the direction of the biasing field. A comparison to frequency-domain analytic results and CDRC FDTD results is included.     

基于压电传感器的混凝土损伤检测数值模拟

该文基于ABAQUS有限元软件建立了压电陶瓷材料与混凝土的机 电多物理场耦合数值分析模型,对压电波动法检测混凝土裂缝和弹性模量测定进行数值模拟,探究其损伤识别的机理。采用C3D8E压电单元模拟压电陶瓷(PZT),采用C3D8R单元模拟混凝土梁,采用三维时域粘弹性人工边界消除边界对应力波的反射。模拟结果表明,嵌入式PZT片激发的应力波包括纵波和剪切波,其中剪切波的幅值比纵波大,传播速度比纵波慢。以信号相对能量(Di)作为损伤程度判别因子,其值随着裂缝的深度增加而降低。将数值模拟计算的Di和混凝土的动弹性模量(Ed)与试验结果进行对比,符合较好,说明有限元方法可以有效地解决该类问题。     

基于二进制编码的管道缺陷超声检测方法研究

脉冲信号激励的超声波用于管道缺陷检测时,存在平均发射声功率小及探测信号频带单一的局限,且在多发多收的阵列检测场合,很难确定接收回波的发射源,不利于被测体全声场的声学特征参数解算。为此,提出了采用正弦波频率调制的二进制超声编码方法检测管道缺陷。建立传感器编码激励响应的数学模型,通过仿真得到了传感器在不同激励频率、分数带宽和码位数下的幅频响应规律,并实现了对接收信号的有效区分和发射声源的有效标识。将该方法用于管道缺陷的超声检测,实现了管道不同种类缺陷的有效检出和发射声源的有效标识,并分析了二进制编码激励方式下缺陷对不同频带的敏感性。统计结果表明,2~4位码对管道渗漏孔和裂纹缺陷的检出率高于62%,对回波信号的标识正确率高于97%。     

超声导波焊缝检测中阵列式传感器的信号融合方式研究

针对超声导波焊缝检测中阵列式传感器信号融合的问题,文中根据特征导波在焊缝结构中的传播原理,提出了分时激励的方法对阵列中不同激励单元激励出的信号进行叠加。通过ABAQUS有限元分析软件仿真了不同数量激励晶片组成的传感器阵列直接激励出的检测信号和使用分时激励后激励出的检测信号,并发现多个激励晶片会导致检测信号产生波形杂乱和不规则等现象;而分时激励的方法则减少了信号混杂的情况,且检测信号的能量可以随着激励晶片数量的增加而稳定增加,信号叠加效果更加理想。