PZT压电复合材料圆环性能仿真和制备

高频宽带全向换能器是水声换能器研究的发展方向,PZT压电复合材料圆环既能够水平全向发射和接收水声信号,同时又使换能器的带宽得到扩展。利用ANASYS有限元仿真软件对2-2型压电复合材料圆环结构进行模态仿真,得到带宽和结构尺寸的关系曲线。在仿真模拟的基础上,形成设计方案,将压电陶瓷圆环沿轴向方向均匀切割,把环氧树脂浇注于切槽,经打磨和被覆电极,制成2-2型压电复合材料圆环。对压电复合材料圆环的压电和介电性能进行测试,结果为谐振频率388k Hz,带宽11.2k Hz,声阻抗18.05Mraly,相对介电常数859,声速3200m/s,d33常数480 p C/N,振动位移89.5pm。该压电复合材料圆环适合做水平全向宽带换能器。     

匹配层厚度振动换能器研究

随着水声信号处理技术的发展,对宽带信号的需求日益增长。换能器的带宽是宽带信号处理的基础,而匹配层技术是拓宽厚度振动换能器频带最有效的方法。研究了多匹配层厚度振动换能器的设计方法,建立了复数形式的多匹配层厚度振动换能器等效网络模型,仿真研究了匹配层参数对换能器响应带宽的影响,指出了单、双匹配层在拓宽换能器带宽方面的限制,还指出匹配层的最佳厚度并非一定就是四分之一波长。在此基础上,制作了单、双匹配层换能器样品,对仿真结果进行了试验验证。测试结果和仿真结果符合得很好。     

一种分析非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器性能的方法

非均匀厚度1-3型压电复合材料可用于制作宽带压电换能器,已广泛应用于水浸无损探伤、声波测井以及超声成像等领域。为分析该换能器的振动及其性能,提出了一种并联振子等效电路模型,将非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器看成并联的谐振器阵列,采用三维厚度伸缩振动模型对单个谐振器单元进行理论分析,得出了非均匀厚度1-3型压电复合材料换能器的阻抗计算公式;为验证该模型的正确性,设计并制作了一个平凹的1-3型压电复合材料换能器;实验结果显示,并联振子等效电路模型能准确的分析非均匀厚度1-3型压电复合材料片的性能。结果表明,非均匀厚度换能器带宽的主要是由压电片的厚度差异决定,研究结果可为非均匀厚度宽带换能器的设计提供参考。     

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。     

高频宽带圆管换能器研究

压电圆管换能器是水声领域中广泛应用的换能器之一,它一般采用压电圆管的径向振动模态。利用压电圆管的径向振动模态和高阶振动模态来实现圆管的宽带发射性能。采用有限元方法对圆管换能器进行了分析,利用ANSYS软件建立圆管换能器的有限元模型,并对其进行结构优化。最终所制作换能器的径向谐振频率为47.5kHz,其工作带宽为40~80kHz,发送电压响应起伏不超过±4dB,最大发送电压响应为150dB。研究结果表明：所采用的有限元法计算结果与测试结果吻合较好,换能器实现了高频、宽带、水平无指向性的发射性能。     

一种大功率超声换能器的设计

基于超声换能器设计理论,提出一种大功率超声换能器的设计及工程计算方法。该换能器由纵向振动夹心式换能器、半波长圆锥形变幅杆和盘棒式工具头组成,根据设计参数及特点,实际制作换能器,通过测试该换能器频率f=20.24kHz,标称功率可达1500W,符合设计初衷。进而验证了这种计算方法的可行性。该换能器可用于污水处理、油田开采及生物柴油等领域的技术开发中,具有推广价值。     

压电复合材料用于透镜式聚焦换能器的研究

为了增加聚焦换能器的带宽, 抑制其多模振动耦合现象, 提高电声转换效率, 实验采用1-3型压电复合材料代替压电陶瓷作为超声发射材料, 设计并制作了一种新型的1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器。通过频率特性的对比研究, 证明了1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器不仅能增加换能器的带宽, 达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器带宽的3.13倍, 而且能明显抑制径向振动, 得到单一纯净的厚度振动模态。另外, 1-3型压电复合材料透镜式聚焦换能器的电声转换效率达到PZT压电陶瓷透镜式聚焦换能器的1.88倍, 为高效率聚焦超声换能器的实现提供了理论及实验基础。     

3-3连结复合压电换能器特性研究—(Ⅰ)在水中声学特性

本文介绍了3-3连结复合(PZT 与硅橡胶)压电换能器在水中的声学特性。较全面地测定了它的声学参数(包括发射导纳、发射电压响应、声场特性、换能器耦合、应电压、换能器标称带宽及电压接收灵敏度)并加以分析。该换能器有许多优点,且优于压电陶瓷。对一些不足之处也展开了讨论。     

超声功率标准换能器铌酸锂压电晶片的设计研究

本文探讨了设计合适的铌酸锂压电晶片以研制高频高效的超声功率标准换能器,该换能器用于毫瓦级超声功率国家基准.论文分析铌酸锂各种切型的压电性能并选择最优切型用于研制标准换能器,给出晶片自由振动时的等效电阻抗和集总参数等效电路,以及晶片厚度和共振频率的关系.用所设计晶片研制出共振频率为18.5MHz的标准换能器,其辐射声导值...     

高频宽带换能器多匹配层研究

在水声应用中,高频换能器往往需要较宽的工作带宽,以获得更多的目标信息。文章首先建立了等效电路模型,利用粒子群算法对匹配层材料和厚度进行初步选定,使得换能器具有最宽的工作频带;其次,通过有限元方法对匹配层换能器的导纳和发射电压响应进行分析计算;最后,在理论分析的基础上成功制得三匹配层高频宽带换能器,其工作频段约为150～430 kHz,相对带宽为93%,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明,三匹配层设计方案可以有效拓宽高频换能器的工作频段。     

用于血管内超声成像的高频换能器研制

血管内超声(Intravascular Ultrasound,IVUS)成像技术可以精确评估血管腔口径、血管壁形态和其他相关血流和血管特性,在冠状动脉疾病的诊断、治疗指导和治疗后的评估中发挥着重要作用。文章设计并制备了一种用于血管内超声成像的高频超声换能器,并对换能器的电学和声学性能进行测试和表征。结果表明,所制备IVUS换能器的中心频率为38.9 MHz,-6 dB相对带宽为56.6%,在谐振频率42.3 MHz处的电阻抗为22.6Ω,在反谐振频率48.2MHz处的电阻抗为56.5Ω,有效机电耦合系数为0.48。使用该换能器进行线仿体成像实验的结果显示,换能器的纵向分辨率为54μm,横向分辨率为209μm。最后,将文中制备的超声换能器与国外同类型换能器进行比较,结果表明,该换能器的性能良好,能够满足血管内超声临床检测需求,未来有望能够突破技术瓶颈,实现国产替代。     

基于多普勒激光测振仪的Ⅲ型弯张换能器振动模态分析

为了测量和验证Ⅲ型弯张换能器在工作状态时辐射面的振动情况,采用多普勒激光测振仪对Ⅲ型弯张换能器的振动模态进行了测量,并与有限元软件仿真结果进行了对比。测量得到换能器壳体的一阶振动模态的谐振频率为1729 Hz,换能器一阶振动模态的谐振频率为2 065 Hz,与有限元模态仿真结果吻合较好。研究结果表明,多普勒激光测振仪能较好地对换能器的振动模态进行测量,可用于换能器的辅助设计。     

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。     

压电复合材料换能器耦合振动特性研究

本文建立了针对压电复合材料的压电复合换能器耦合振动有限元模型,采用有限元方法研究了压电复合材料类型对换能器振动模态与共振频率的影响,并对换能器共振频率与压电复合材料结构几何尺寸之间的关系进行研究。结果表明:压电复合材料类型不同,换能器的振动模态振型会发生改变,并且其前两阶共振频率差值会因压电复合材料的基体材料的杨氏模量和泊松比的不同而发生变化,即共振频率差值随着基体材料杨氏模量的增大而增大,但随着泊松比的增大而减小;而且共振频率与压电复合材料的结构几何尺寸有关,即随着压电复合材料厚度的增大,换能器的纵向振动频率与弯曲振动频率都会逐渐减少,但两频率之间的间距是逐渐拉大的。     

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。     

ANSYS软件在模拟分析声学换能器中的应用

ANSYS是通常用于分析和设计声学换能器的有限元软件之一,通过实例给出分析声学换能器的处理过程,包括建模、施加载荷、设置求解选项、使用后处理器、以及获得换能器振动辐射参数的一般过程,并涉及宽带换能器、矢量换能器的发射与接收问题,对ANSYS有限元软件模拟换能器的一些经常遇到的问题细节的处理方法做了较全面的概括。还简要讨论了流体中结构模态分析的一般处理方法,对结果数据进行数学运算操作并获得换能器的特性参数等等。     

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°。     

新型圆管换能器预应力分析

大功率圆管换能器在清洗、除垢、萃取等领域中有着广泛的应用。分析了一种新型圆管换能器,通过热胀冷缩原理给换能器施加预应力,充分发挥压电陶瓷的机械性能,达到大功率辐射要求。通过有限元仿真软件ANSYS对换能器的预应力进行仿真分析,着重分析了金属管材料、管壁厚度以及温度差与热应力的关系,根据优化结果选择合适的材料、尺寸制作出换能器初样品,换能器测试结果一致性较好。     

新型叠片式压电换能器的有限元分析

提出一种新型叠片式压电换能器结构,利用有限元仿真软件ANSYS10．0分别在空气中和水中对这种换能器进行了建模仿真,得到了压电换能器的工作频率、振动曲线和导纳图,计算出了换能器在水中的发射响应和指向性,结果表明这种叠片式结构可有效提高压电换能器的灵敏度。     

美国专利几则

宽带全方向性电声换能器(4916675) 这是一种用于水下发射和接收的全向声学换能器。它由几个换能器圆环垂直叠在一起,每个圆环上又划分为许多径向振动的单元振子。每个单元振子应调谐到一个特定的固有频率并适当地固定好。处于同一圆环的振子同相激发,但各个环的固有频率则是不相同的。检测颗粒状物质中昆虫产生的振动的装置(4991439) 将一压电传感器连接在探头上或一膜片上,用以检测当昆虫在谷物上吃食或爬行时所发生的振动。振动声经放大后进行分析,例如,可将其与已知害虫的记录信号作比较以确定昆虫的种类和它们的位置。加速度传感器(4991…