1-3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析

通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料，并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT圆片制成活塞型换能器，经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线，水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析，得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT压电换能器的收发性能有明显改善。     

压电换能器的声非线性

压电换能器的声非线性倪以发吴文虬章德（南京大学声学研究所近代声学国家重点实验室南京·２１００９３）１引言近几十年来,在许多领域中非线性效应的理论和应用得到了广泛的重视,如超声成像、声参量阵、无损检测等。这就要求在测量时,需排除系统本身产生的非线性、包...     

3-3连结接收型PZT压电复合材料换能器研究

本文介绍了3-3连接接收型 PZT 压电复合材料换能器的理论计算、设计原理和物理性能。换能器的特性阻抗为3.2×10~5Pa/s,在50～220kHz 频率范围内,接收灵敏度为-205dB 左右:与计算值吻合较好,在阶跃电脉冲作用下,换能器的瞬态输出波形为一个正弦周期。本文也列举了这种换能器的某些实际应用。     

动态聚焦超声换能器的研究与设计

介绍了为超声激活血卟啉抗肿瘤效应而研究的动态聚焦超声换能器。它是由６个等间距，等宽度的同心圆环和１个中心圆片组成的７元平面 能器阵。通过改变辐射孔径和每个阵元电激励信号的延迟时间，实现动态聚焦衣在各聚焦处声强度一致，导出了聚焦声场声压分布表达式，并设计出换能器的具体结构参数。     

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。     

背衬为双声失配层的深水超声压电换能器

深水超声压电换能器,不仅在强度上要耐水压,而且在大深度下要具有稳定的声学性能。几百千赫频率的深海超声压电换能器其背衬要有后方隔声的功能。这是因为后方声波会因各种结构体的反射再向前方传播,而与原来的前向声波发生干涉,使换能器的指向性和频率特性发生变化。要防止出现这种情况,就必须在压电振子的正后方加衬吸声或隔声材料。     

陶瓷骨架对3-3型复合材料压电性能的影响

本工作研究了压电陶瓷的化学组成对3-3型复合材料介电、压电性能的影响。选用了三种类型的压电陶瓷:“硬性”压电陶瓷(PZT-F)、“软性”压电陶瓷(PZT-N)和“稳定型”压电陶瓷(PZT-C)。实验结果指出:以PZT-F 和 PZT-C 为骨架制成的复合材料仍然具有较低的体积密度、较高的静水压灵敏度、小的机械品质因数和较小的介质损耗,同时其耐静水压稳定性也有所改善。这种复合材科已装配成发射型换能器,成功地用于地震模拟试验。这类材料的问世将有助于宽带换能器的发展。     

矩形压电振子的多维耦合换能器理论

利用表观弹性法推导了矩形断面压电陶瓷长条和矩形压电薄板振子的二维耦合振动理论并给出了各振子的总导纳方程、多维耦合下的机电转换系数等,由总导纳方程计算了频率常数随振子几何尺寸的变化曲线。所得结果与有限差分法和有限元法的结果相当满意地符合。 这种方法比其他方法简单,可用于压电陶瓷参数的修正,复合压电振子和非压电振子的耦合振动的计算。     

基于PMNT陶瓷的1-3型压电复合材料软模板法制备及其超声换能器研究

医用高频超声换能器广泛应用于人体及生物组织的精细结构成像。1-3型压电复合材料因具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗而成为高频超声换能器的核心材料。基于有限元计算和软模板法设计制备了高性能Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃陶瓷/环氧树脂压电复合材料,并对材料进行了系统的电学性能测试。结果显示该1-3型压电复合材料具有优异的声学综合性能,其厚度伸缩模式机电耦合系数k_t达到70.1%,其声阻抗Z_a达19.05 MRayl。利用该材料制备了高频超声换能器,其-6 dB带宽达85%,插入损耗为17.7 dB。结果表明使用软模板法制备的压电复合材料具有适合于超声成像的优异的综合性能,有望促进高频超声换能器的商业化应用。     

1-3型压电复合材料温度稳定性研究

采用聚醚砜(PES)和空心玻璃微珠(HGB)作为填料对环氧树脂进行改性,研究其对环氧聚合相力学和热学性能的影响,研究发现,PES和HGB填充量均为10％(质量分数)制备的环氧聚合相,剪切强度由39 MPa升高到52 MPa,热膨胀系数由8.8×10-5/K降低为5.8×10-5/K,材料力学和热学性能明显提高.以PZT...     

1-3型水泥基压电复合材料的制备及性能

采用切割-浇注法, 以硫铝酸盐水泥为基体, 制备了1-3型水泥基压电复合材料。详细阐述了1-3型水泥基压电复合材料的制备过程; 研究了0.375Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.375PbTiO₃-0.25PbZrO₃压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料的压电性能、 介电性能和声阻抗的影响。结果表明: 压电陶瓷柱的宽厚比w/t对1-3型水泥基压电复合材料性能有很大影响, 随着w/t的增加, 其压电应变常数d₃₃、 机电耦合系数K_p与K_t、 机械品质因数Q_m、 介电常数ε_r和介电损耗tanδ均随着w/t的增加而减小, 而压电电压常数g₃₃值几乎不受w/t的影响。在压电陶瓷体积分数仅为22.72%的条件下, 调节压电陶瓷柱的宽厚比w/t至0.130, 可使复合材料的声阻抗与混凝土的声阻抗十分接近, 从而有效地解决了智能材料在土木工程中的声阻抗相容性问题。      

1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料的制备及其性能

采用切割-浇注法,以聚合物改性硫铝酸盐水泥为基体,铌锂锆钛酸铅(简称P(LN)ZT)为功能体制备了1-3型聚合物改性水泥基压电复合材料。研究了P(LN)ZT陶瓷体积分数对复合材料的压电和介电性能的影响。结果表明：随着P(LN)ZT陶瓷体积分数的增加,压电应变常数d₃₃、相对介电常数εr和声阻抗率Z呈现明显的增大趋势;而压电电压常数g₃₃和介电损耗tanδ则呈现下降趋势。与P(LN)ZT陶瓷相比较,1-3型压电复合材料厚度方向振动增强,机械品质因素明显降低,当P(LN)ZT陶瓷体积分数为30.86%时,其声阻抗率为8.24×106 N·s/m3,接近于混凝土的声阻抗率9.0×106 N·s/m3,适用于制作混凝土超声无损检/监测换能器。     

PZT基陶瓷纤维性能对1-3复合材料性能影响

采用塑性聚合物方法制备了高可塑性、高密度和高生坯强度的PZT5、PMnS、PBS陶瓷纤维，通过排列浇注法制备了1-3复合材料，研究了不同组成陶瓷纤维对复合材料性能的影响。结果表明，复合材料的介电常数、声阻抗和品质因数均比相应的陶瓷性能小了一个数量级，压电应变常数d33和平面机电藕合系数kp不同程度降低，但是压电电压常数g33和厚度机电藕合系数反大幅度增加，使得1-3复合材料的各相异性明显增强，复合材料的性能变化规律同压电纤维性能的变化规律相同，因此可通过改变纤维相性能而改善复合材料的性能。     

压电水声换能器宽带匹配特性研究

采用等效电路变换和多物理场有限元仿真计算进行压电水声换能器宽带匹配特性研究,得出不同匹配电路下的换能器电声性能的变化规律,合理选择电感电容值和串并联方式进行调谐匹配实现双峰谐振,一方面提高换能器的工作带宽,另一方面提高工作频率范围内的发送电压响应值并减小工作频带内响应值的起伏,依照仿真数据设计制作了一款球形换能器,采用串联电感进行调谐匹配,并测试调谐匹配前后的水中电声性能,对比匹配前后换能器性能的差异。结果表明,测试结果和仿真计算吻合,运用多物理场仿真计算手段对于预测分析水声换能器电声性能具有较好的指导意义。     

1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能

以 123型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、 线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。结果表明: 当加载频率小于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大 , 但当加载频率大于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关 ; 传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性 , 其输出电压与复杂载荷、 随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系 ,且与输入载荷基本同步 , 不存在滞后现象 , 试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。      

基元控制的方式优化自聚焦换能器聚焦声场的研究

根据HY2900聚焦超声治疗系统聚焦换能器采用6基元自聚焦方式的特点,通过对6基元聚焦换能器排序及数量的控制,达到了避让特定部位的目的。采用亥姆霍兹-基尔霍夫积分计算并用HY2900声场测量软件测量换能器在脱气水中声场的分布。对6基元换能器排序进行定义,结合水听器控制基元数及排序。在对换能器基元全驱动,关闭1、6基元,关闭1、2、6基元,关闭1、3、5基元的四种状况下测量聚焦换能器途径声场及焦平面声场分布。研究发现焦点上10 mm声场分布平面直接反映换能器基元数及随排序的改变换能器聚焦声途径的变化,可通过对换能器基元排序及数量的控制,优化其途径声场分布。     

Modeling and fabrication of a piezoelectric vibration‐induced micro power generator

Abstract

In this paper, theoretical and experimental study on a piezoelectric vibration‐induced micro power generator that can convert mechanical vibration energy into electrical energy is presented. The mechanical‐electrical energy conversion mechanism is a voltage between two capacitors, which belong to the mechanical and the piezoelectric equivalent circuits, respectively. To verify the theoretical analysis, two clusters of transducer structures are fabricated. Piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) material is chosen to make the energy conversion transducer. The desired shape of the piezoelectric generator with its resonance frequency in accordance with the ambient vibration source is designed by finite element analysis (FEA).

Experimental results show that the maximum output voltages are generated at the first mode resonance frequencies of the structure. The overall conversion efficiency is measured to be 33%. The experimental results coincide with the theoretical analysis.     

圆台型自聚焦超声压电换能器研究

对圆台型自聚焦超声压电换能器辐射声场分布进行了数值计算,分析了圆台换能器几何参数小端半径b、大端半径a以及高度h对轴向声场以及焦平面声场分布的影响。结果表明:圆台型自聚焦超声换能器轴向声场为振荡分布,声强平均值较高,存在一组最佳参数对应于最佳的聚焦效果,而径向声场分布比较均匀,焦平面有效半径小,受参数影响较小。     

声波测井压电换能器多频点阻抗匹配技术研究

针对声波测井压电换能器的多频点阻抗匹配技术展开研究,首先采用多模态等效电路精确描述了换能器的导纳特性;然后通过分析多模态阻抗匹配理论,设计电感-电容复合阻抗匹配网络,并结合换能器等效电路进行参数优化和电路仿真。实验表明,相比于换能器没有阻抗匹配的测试结果,该阻抗匹配技术可大幅提高换能器在谐振频率附近多个频率处的有功功率,频带内的有功功率平均提高了30倍,从而改善换能器的激励带宽和激励效率,提高测井仪器的适应性、探测深度和分辨率。