基于空间冲激响应的圆形换能器辐射声场研究

基于空间冲激响应的稳态声压场理论,从选取距离函数出发,建立了单阵元圆形平面换能器声场中任一场点处的基于傅里叶变换的冲激响应声场模型,该模型适用于声场中的任意位置。并运用Matlab仿真了换能器的轴向与径向声压分布,且在圆形换能器冲激响应的声压分布实验系统上进行验证,实验结果与仿真得到的声压场具有很好的一致性。实验验证表明,仿真结果可准确反映圆形换能器的空间辐射声场分布。该方法计算快捷,对于优化圆形换能器设计参数及提高超声成像检测分辨率有重要参考意义。     

纵扭复合超声换能器的频率灵敏度及其结构优化研究

针对现有超声换能器结构设计方法存在效率低、计算繁琐及与实际应用偏差较大等问题,提出了一种基于有限元模态频率灵敏度的结构优化方法.本文以纵扭复合超声换能器为例,从传统解析法与实际应用尺寸边界约束条件相结合角度,初步确定换能器结构参数;在此基础上,采用模态频率灵敏度方法,通过改变对换能器模态频率影响较大的主要结构参数值,优化得到符合实际应用的换能器结构,并通过阻抗分析与振幅测试试验对结构模型进行了验证.试验结果表明,换能器谐振频率为27.6 kHz,纵向振幅为4μm,扭转振幅为1.33μm,纵扭比为33.25％,与仿真值相比误差较小,能够实现纵扭复合振动,且谐振频率、振幅及阻抗均可满足大部分超声加工要求,验证了设计方法的有效性及结构设计的合理性.     

双棒型磁致伸缩换能器的结构设计和特性分析

针对高频激励下磁致伸缩换能器磁场环境较差和能量损耗过高的问题,提出一种新型双棒驱动的磁致伸缩换能器设计方案.基于COMSOL仿真软件,从超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)、磁路结构和驱动线圈3个方面对双棒型磁致伸缩换能器进行优化设计.按照设计方案制作了一台双棒型磁致伸缩换能器样机,对样机的输出特性进行了实验测试,结果表明该双棒型磁致伸缩换能器在6.4 kHz的高频激励下,输出振幅达48 μm,输出力幅值能稳定在15 N左右,输出特性良好,为高频磁致伸缩换能器的结构设计和仿真优化提供了较好的依据.     

基于超声波悬浮支撑的高速电机的设计

设计了利用单项支撑转子超声波悬浮的高速电机,采用压电换能器、永磁同步电机主轴,换能器辐射端面与主轴悬浮支撑帽均采用锥度相同的圆锥形结构,以保证主轴高速旋转时高度自动定心。测试结果表明:当超声波电源输出功率在500 W时,主轴转速达到20 000 r/min以上,悬浮间隙超过100 nm,大于两接触面粗糙度总和,主轴运转平稳,无接触摩擦噪声,不存在电磁耦合所导致的转矩波动和径向振动问题。     

夹心式低频超声换能器设计

针对夹心式换能器的设计问题,分析推导了夹心式换能器常用的4种设计方法,即解析法、等效电路法、传输矩阵法和有限元法,并比较分析了这些设计方法的特点和适用范围。为简化设计,提出了设计系列化的思路和用设计方法本身统一各元件性能参数表达式等问题,并找出了影响设计精度的原因。     

超声波换能器的设计与研究

目前水力发电厂大坝渗漏排水系统结垢严重,造成排水泵频繁停机,严重影响生产。基于超声波除垢的方法,文中对用于除垢的磁致伸缩超声波换能器进行设计和研究,最终确定磁致伸缩换能器工作频率为24 kHz,功率为150 W。完成了换能器振子和振幅杆的材料选择与结构设计,振子采用窗形结构,变幅杆采用圆锥形平滑过渡的阶梯型结构,计算确定了线圈的匝数和工作电流与电压,对振幅杆进行了仿真和模态分析,仿真结果与设计目标的误差小于2%。     

基于电容式微机械超声换能器的脉冲回波接收电路设计

电容式微机械超声换能器(CMUT)是一种新型超声换能器,具有高带宽、易与前端放大电路集成等优点,CMUT通过输出微弱的变化电流实现超声波回波检测。根据CMUT工作在发射与接收模式的特点,设计了一种具有发射开关保护功能和跨阻放大器的脉冲回波接收电路。波特图测量表明该电路的最大增益为39 dB,-3 dB带宽为24.2 MHz,涵盖了医学与工业超声检测常用的频率范围。分别对5.8 MHz和9.4 MHz的CMUT进行脉冲回波实验测试,测试结果表明：在CMUT发射模式下,该电路能够防止高压发射脉冲损坏后级的跨阻放大器电路;在CMUT接收模式下,该电路能够有效地将微弱电流信号转化为电压信号并进行放大。因此该电路能够用于CMUT的脉冲回波信号处理。     

多功能超声波清洗器的设计

介绍了一种基于PIC单片机控制的超声波清洗设备,给出了系统的控制电路、功率放大电路及单片机软件的设计方法,特别研究了换能器的频率跟踪技术及阻抗匹配电路的设计.系统可以实现自动频率跟踪、功率调节、定时等多功能控制,另有扫描、振荡两种工作方式可选择.实践证明:超声波清洗速度快、效果好,性能稳定,现产品已投入生产.     

超声波流量计自增益控制电路研究

为了改善超声波流量计中换能器由于长时间工作、老化而产生的信号强度衰减问题,设计了一种基于DSP和FPGA的超声波流量计自增益控制电路,通过实时监测和比较换能器的信号幅值大小,并结合驱动端增益控制和接收端增益控制的动态控制方法,使得换能器的信号幅值能够保持在基准幅值的90%以上,从而保证了超声波流量计的测量精度,延长了换能器的使用寿命。     

钹式换能器等效压电系数理论分析

将钹式换能器端帽视为圆板与锥壳的组合体,应用板壳理论,对钹式换能器金属端帽进行了力学分析,明确了端帽对压电元件的作用力。基于压电理论,对压电元件进行分析,确定了钹式换能器等效压电系数,并与已有实验数据进行对比分析。结果表明,所给出的等效压电系数最大误差小于5%,具有较高的计算精度。进而,讨论了端帽小端半径、大端半径、壁厚、锥半角和压电元件厚度对钹式换能器等效压电系数的影响,为钹式换能器优化设计提供了依据。