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。     

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。     

1-3-2压电陶瓷/聚合物复合材料圆柱型换能器制备

改进的1-3(1-3-2)型压电复合材料由1-3压电复合材料与陶瓷基底沿陶瓷极化方向串联而成,其不仅具有与1-3复合材料相同的优点,而且克服了1-3复合材料遇热和受压容易变形等缺点。利用改进的1-3型压电复合材料制作的圆柱型水声换能器在直径为70mm时,其谐振频率为72kHz;发射电压响应为139dB;在20～60kHz频率范围内接受电压灵敏度为-212(起伏±4dB)。换能器水平方向具有基本均匀的指向性,垂直方向波束宽度为12°。     

超声波流量计换能器系统理论分析及应用

为了使超声波流量计能够获得最佳的超声波信号,从理论上分析了超声波流量计的换能器系统,在此基础上提出了用收发电压灵敏度参数来表征换能器系统的综合发射和接收性能。采用等效网络理论,计算了超声波压电换能器的发射特性和接收特性,同时给出了收发电压灵敏度的表达式以及在流量计工作频率下换能器的最优设计准则。应用该准则设计并制作了适用于热量表的超声波换能器。实验结果表明:采用该设计理论研制的换能器系统可以使热量表在工作频率上获得最优的超声波信号,同时也证明了采用该理论设计的超声波流量计换能器系统的有效性。     

接收换能器非线性理论研究

一、接收换能器非 线性理论研究 在一般的声学问题中,人们总是将换能器视为线性器件。即作用于换能器表面的声压和换能器两端的开路电压呈线性关系。但是在非线性声学中、由于参量阵的工作频率向低频方向的发展以及参量阵近场应用研究的展开,换能器的非线性效应也就比较明显了,它直接影响和干扰了实验测量结果。例如,在参量发射阵的近场实验中,由于水听器距发射换能器较近,因此,此时原频衰减很小,作用于水听器的原频声波很强,而参量发射阵作为一种“虚端射阵”当阵长较短时,水介质非线性形成的差频信号未能经过足够的累加,因为差频信号很弱,…     

《压电换能器和换能器阵》（修订版）出版发行

由栾桂冬、张金铎、王仁乾编著的《压电换能器和换能器阵》(修订版)一书,已于近期由北京大学出版社出版发行。1990年出版的《压电换能器和换能器阵》(上、下册),曾作为北京大学声学专业高年级本科生和研究生的教材,并被不少兄弟院校和研究所列为相关专业研究生的教材或主要参考     

压电水声换能器的声学特性分析

压电水声换能器是一种既能作为驱动器又能作为传感器工作的水下探测装置。准确预测其在嘈杂水下环境中的声学特性对设计出坚固耐用的换能器是十分重要的。有限元方法对分析换能器在不同环境中的各种性能十分有效和实用。建立了一种Tonpilz型换能器的二维轴对称有限元模型,设计了基于有限元方法的程序,对其进行了动力学分析,包括模态分析和谐响应分析等,获得了一些声学特性。该程序分析的结果与ANSYS软件分析的结果显示出较好的吻合性。     

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。     

压电换能器在并联谐振频率附近特性的研究

对压电换能器在并联谐振频率附近的特性包括功率自动调节性能、品质因数、效率、激励电压及承受电压等进行了分析研究。这些特性对大功率超声换能器的合理运用具有重要影响。用实验验证了分析计算的结果,并在某些方面给出了与串联谐振频率附近特性的比较。     

发射换能器带障板特性分析

对发射换能器带障板的声场特性进行了分析,对两种类型的发射换能器带障板的增益进行了计算,并实际加以测试。障板增益在换能器工作频段内存在一个凹点(即较大负增益),随着安装距离的增大,凹点对应的频率逐渐下移,换能器在凹点频率的指向性得到展宽。适当的应用反声障板,可以起到改善发射换能器的指向性,调节发送电压响应等作用。     

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。     

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。     

欧米伽换能器振动辐射特性计算分析

对一种新型的弯张换能器即欧米伽换能器的辐射特性进行了有限元分析,并与钹式换能器进行对比。通过有限元计算,对相同体积的欧米伽换能器与钹式换能器的电导纳、发射电压响应级以及接收灵敏度级进行了对比,结果表明:欧米伽换能器的低频性能和第一谐振频率处的接收灵敏度要好于钹式换能器,而发射电压响应要低于钹式换能器,比钹式换能器更好地解决了小体积与低工作频率之间的矛盾,更宜实现基阵的小型化。舰船的机械噪声主要集中在500Hz以下,体积较小的欧米伽换能器非常适合作为侦察舰船活动的被动声纳基元。     

激励环境下rainbow型压电换能器发电性能分析

为提高有限体积rainbow型压电换能器的能量收集能力,针对外力和外界位移两种激励环境,通过数值模拟分析了换能器输出电压与结构参数及材料特性的影响关系。结果表明,在外力激励环境中,随着宽度及初始曲率半径的增加,换能器的输出电压单调减小;随着长度和弹性模量比的增加,换能器的输出电压不断升高;随着厚度比的增加,换能器的输出电压将呈现-最大值。在外界位移激励环境中,随着厚度比、长度和弹性模量比的增加,换能器的输出电压不断降低;随着初始曲率半径的增加,换能器的输出电压不断升高;而宽度对换能器输出电压的影响可基本忽略。另外,不论在何种激励环境中,换能器内侧压电薄膜的输出电压都要大于外侧压电薄膜的输出电压。     

高频换能器功率疲劳分析

压电陶瓷元件因疲劳破坏而失效是造成高频发射换能器损坏的重要原因之一。以一款高频换能器为例分析了换能器功率疲劳现象和压电陶瓷功率疲劳机理;针对高频换能器水中阻抗与空气中阻抗比较接近的特点,设计了空气中大功率发射以加速复现功率疲劳的实验方法,制作了实验样机;实验较好地复现了电导值下降、发送电压响应下降的功率疲劳故障现象,验证了发射功率是换能器功率疲劳的主要因素。当发射功率较大时,散热环境是诱发功率疲劳的重要因素。为避免换能器产生功率疲劳,必须重视发射功率、工作环境和散热情况;发射功率越大对工作环境散热要求越高。     

深腔流激振荡特性研究及能量采集初步分析

针对深腔流激振荡现象的内部声场特性及其流体动能利用方法进行了研究,通过对谐振空腔内部的流场和声场进行数值模拟,探究腔体结构尺寸和流速对内部声振荡响应特性的影响,选用合适的空腔结构安装压电换能器初步实现声电能量转换过程,并进行实验验证。结果表明,当谐振腔开口尺寸H_(R)=30 mm,长度L_(R)=230 mm时,可在相当于高压输气管道的流速范围内获得属于第一水力模态和第一声学模态的稳定声振荡;当气体流速为32.26 m·s^(-1)时,声场压力振幅可达4.62 kPa;选用压电陶瓷厚度hp=1.0 mm的压电片进行实验测试,可得开路电压为1.99 V;实验结果与模型预测结果趋势一致。该方法丰富了环境流体动能的利用方式,且有望在低功耗、远距离、低维护等特殊场合的微型无线电子设备中实现无源供电。     

换能器对超声衰减测量的影响

一、引言 声衰减系数是媒质的主要声学特征量,它能提供物质内部结构及媒质某些非声学性质的信息,例如:悬浮液的浓度和粒度、粗品材料和复合材料内粒子大小及分布等。影响衰减测量的因素,可概括为:1)换能器发射的衍射效应;2)换能器及耦合层对试样端面反射的影响;3)侧壁反射的影响;4)端面状况(平行度、平整度)的影响;5)温度不均匀的影响。这些因素使得衰减测量的精度下降,因此研究这些因素从而提出校正措施是一个急需解决的问题。 在影响衰减测量的五个因素中,换能器发射的衍射效应‘1’、端面状况(平行度;平整度)的影Ill叭2,3j以及温度不均…     

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。     

用于超声物位测量的换能器研究

本文介绍了两种用于超声物位测量的系列换能器──纵向振动夹心换能器和纵振动与圆盘弯曲复合振动的压电换能器。纵向振动夹心换能器的尺寸为４０和８０，外壳采用了防腐蚀的ＰＶＣ材料。从压电方程出发，计算了换能器的各部分振动元件的尺寸，然后通过实测，结果表明与计算值相吻合，当换能器距天棚２．５ｍ时。不经过放大器可接收到第一次回波为３００ｍＶｐ－ｐ，配以发射、接收电路盲区为０．５ｍ。另一类是采用纵向振动与圆盘弯曲振动的复合换能器，它具有尖锐的指向性、高的发射效率和接收灵敏度。但是受激圆盘作弯曲振动时，在其表面…     

一款高频弧形换能器

多波束图像声纳广泛应用于水下工程实施、浅海地貌测绘、蛙人和水雷等水下小目标的探测识别,高频弧形换能器是多波束图像声纳的重要组成部分,用于发射高频宽波束声波.通过理论公式计算了宽波束高频弧形换能器的指向性图,分析了指向性特征：主波束内存在连续的震荡起伏,震荡幅度由中心向两侧逐渐增大,在波束边缘处出现最大值,波束中心幅值比最大值减小1~2 dB左右.采用1-3型压电复合材料,研制了一款宽波束发射的高频弧形换能器,换能器谐振频率为440 kHz,最大发送电压响应为162 dB,-5 dB水平开角为107o,-3 dB垂直开角为26o,可应用于多波束图像声纳.