新型复合结构超声换能器的研制

为提高超声换能器的性能,提出一种新型的复合结构超声换能器,这种结构的超声换能器在同一只换能器中使用两种压电材料--压电陶瓷(PZT)和压电薄膜(PolyyinylideneDifluoride,PVDF),前者用于发射;后者用于接收.应用KLM(Krimholtz,LeedomandMattaei)机电耦合等效电路模型对这种换能器作了理论上的分析,并实际制作了这种复合结构的超声换能器.理论和实验结果均表明,该复合结构的超声换能器具有较小的输入功率损耗和相对较短的回响.     

Hg2I2声光器件换能器带宽及镀层厚度的确定

采用环氧树脂聚合物作为换能器与Hg2I2声光介质的缓冲层(粘接层),设计了Hg2I2声光器件的换能器.根据换能器等效电路网络分析法,就x切LN/Hg2I2声光器件的电极层各种金属材料和厚度计算了换能器损耗TL随归一化频率f/f0的变化关系.从声光器件的布喇格带宽和工艺条件出发,优化选择了换能器损耗为3dB范围内的换能器结构、电极层材料及其厚度和压电层厚度,并确保了换能器的倍频程带宽.     

基于扩展BVD模型的压电换能器电匹配研究

针对提高无损检测压电换能器灵敏度问题,提出了一种电阻抗匹配网络的设计方法。首先通过压电换能器电导纳实验曲线建立压电超声换能器的BVD模型等效电路。根据压电换能器电导纳的实验值对所建立的等效电路进行参数识别,确定等效电路各元件的值;并对参数识别的结果进行理论验证。同时与实验结果进行比对,吻合较好,表明该参数识别的方法可信度较高。在建立等效电路的基础上,采用Smith圆图,基于电匹配理论,设计压电换能器匹配电路;并对匹配后的压电换能器进行理论分析和实验验证。结果表明该匹配电路可将压电换能器的灵敏度提高约三倍。     

多频扭转夹心式换能器研究

研究了一种可以工作在多个频率段的扭转夹心式换能器．该换能器由前后金属盖板、两组周向极化压电晶堆及电负载组成．分析了接电负载压电圆管的扭转振动特性，推出了其机电等效电路和共振频率方程．利用等效电路方法，给出了换能器的共振频率方程，并得到了换能器的共振频率与负载阻抗曲线，为此类换能器的设计提供了理论依据．该换能器可望应用于超声焊接、超声加工及超声马达等领域．     

压电换能器功率输出自动调节特征研究

为了研究换能器的工作安全性能、提高换能器的系统效率,根据压电换能器的工作原理,利用等效电路方法,分析了压电换能器在并联谐振频率附近工作时的频率特性,得出了在并联谐振频率附近的功率输出自动调节规律,应用该规律探讨了功率输出自动调节的频率范围,并对超声清洗换能器在不同负载时的功率输出进行了实验。结果表明:换能器在并联谐振频率附近工作时具有较好的功率输出自动调节功能,对提高换能器的系统效率有一定指导意义。     

声子晶体结构在换能器匹配层中的应用

将声子晶体结构用于换能器匹配层中,利用声子晶体的能带特性改善换能器的匹配性能。研究了厚度振动超声换能器中声子晶体型匹配层的参数变化对换能器频带宽度、发射电压响应和辐射特性的影响,建立了声子晶体型匹配层厚度振动换能器等效电路模型,并利用传输矩阵计算了匹配层的声能量透射系数。研究结果表明:合理选择声子晶体型匹配层的材料和厚度,可以使换能器的频带宽度扩大一倍;并且将换能器的共振频率处于声子晶体结构的通带范围内,可以使声能量透射系数接近于1。     

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

基于传统夹心式压电陶瓷换能器,提出了一种新型级联式高强度功率超声换能器。该换能器由多个半波长夹心式压电陶瓷换能器通过电端并联及机械端串联而成。基于一维理论,得出了换能器的六端机电等效电路,分析了换能器的电阻抗频率特性,并给出换能器的共振频率方程。研究了不同振动模态下,换能器的共振频率、反共振频率以及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距的依赖关系。实验制造2个级联式功率超声换能器,并对其共振频率和有效机电耦合系数进行了测试,实验结果与理论分析相吻合。此类级联式高强度功率超声换能器可望在超声波液体处理、超声波加工等大功率超声技术中获得应用。     

压电换能器导纳圆图的测定

分析了压电换能器的等效电路，通过对压电换能器导纳圆图的测定求出等效电路的各参数。     

一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器径向振动特性研究

研制了一种新型径向复合压电陶瓷超声换能器,并对其径向振动特性进行了理论及实验研究.该换能器由一个厚度方向极化的压电陶瓷薄圆环及一个金属圆环组成.对压电陶瓷圆环和金属圆环的径向振动分别进行了分析,得到了各自机电等效电路.在此基础上,利用换能器径向力及径向振动速度的连续条件,得出了压电陶瓷径向复合超声换能器机电等效电路及其共振频率方程.分析了换能器的共振及反共振频率、有效机电耦合系数与其几何尺寸之间的关系.结果表明,在换能器压电陶瓷圆环内外半径保持一定情况下,换能器半径比增大时,共振及反共振频率随之增大.对于换能器第一阶径向振动,其有效机电耦合系数随半径比增大单调增大,而第二阶径向振动有效机电耦合系数随半径比增大单调减小.     

压电陶瓷换能器电感与电容匹配特性研究

采用等效电路法,推导了不同匹配条件下压电换能器军效阻抗与匹配参数公式,并获得了换能器的最佳电路匹配参数.结果表明,利用所得高效公式,可精确计算出最佳匹配参数,从而有效提高压电换能器的机电转换效率。     

复合管压电超声换能器的负载特性

对复合管压电超声换能器在液体中的声辐射负载特性进行了研究.推导出换能器在液体介质中的径向声辐射阻抗.在等效电路的基础上,得到有载复合管压电超声换能器的频率方程,探讨了有载复合管换能器的输入阻抗随液面半径变化的关系.数值计算表明,随着液面半径的增大,换能器径向辐射阻抗的模在0～∞周期性变化.换能器在液体负载下会产生谐波共振,谐波数目随液面半径增大而增加.此外,换能器的共振频率随液面半径按半波长整数倍呈现周期性变化,反映驻波声场的特点.通过实验测量了复合管换能器在水负载介质中的共振频率及谐波共振频率,理论和实验测量结果吻合较好.     

多自由度超声波电机及其转子支持机构研究

应用有限元方法,设计和制作了一种能实现机器关节的多自由度超声电机.给出了一种正交轴承法转子支持机构,用于实现转子在机器手指关节中的应用.该电机定子由一个压电多层纵振子和一个夹心式弯曲振动换能器组成.多层振子较低电压下可在竖直方向产生较大振动位移.夹心式弯曲振子由两个纵向振动压电片和四个铜电极组成.在夹心振子上施加具有一定相位差的电压信号,会产生两个相互正交的弯曲振动.通过激励定子3种不同振动模式,可驱动位于定子表面的转子产生多自由度转动.测试结果表明:以多自由度超声电机作为驱动源,采用正交轴承法转子支持机构,可以有效增加机器手指关节的运动自由度.     

考虑非等长应变的磁电层合材料低频磁电响应特性

本文提出了一种考虑非等长应变的磁电层合材料低频磁电响应模型.该模型以剪切应力传递应变为基础,采用应力函数法分析了磁致伸缩层、压电层的应力和应变,利用粘接处的应变相等,求出了开路状态下磁电层合材料L-T模式的低频磁电响应特性.该模型能研究磁致伸缩材料的柔顺系数、压磁系数、层合比、压电材料的机电耦合系数、压电系数等参数对磁电电压系数的影响,并与等效电路法、两种考虑退磁场的等效电路法以及实验结果进行了对比研究.针对Terfenol-D/PZT/Terfenol-D的研究结果表明:理论结果与实验结果误差为5.42%,与其他方法相比,本文的结果与实验结果吻合得更好.     

基于类1-3-2型压电复合陶瓷夹心式换能器性能的研究

研究并设计了类1-3-2型压电复合材料与基于此材料的夹心式换能器,分析了类1-3-2型压电复合材料的频率特性和夹心式换能器的频率方程。利用切割法制作类1-3-2型压电复合材料,并采用该材料制作了夹心式换能器并进行了实验验证。研究表明:该型换能器可实现拓宽夹心式换能器工作频带,有效抑制杂散模态以及改善位移分布,可应用于大功率超声与水下大功率发射器。     

径向极化压电圆管超声换能器的数值模拟

应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对径向极化压电圆管超声换能器进行了有限元数值模拟.首先,对压电圆管的前三阶振动模态以及一阶谐振频率与圆管尺寸、激励电压的变化关系进行了模拟分析.然后,对径向极化压电圆管在无介质和介质分别为空气、水时的导纳曲线进行了模拟分析,并且模拟了压电圆管在空气和水中的超声场分布.仿真结果表明,压电圆管的一阶谐振频率与圆管尺寸存在特定的变化关系,与激励电压的大小无关;压电圆管在空气和水中的导纳曲线由于空气和水的特性阻抗不同而不同,空气对压电圆管的影响几乎可以忽略,而水对压电圆管的影响较大.最后,利用精密阻抗分析仪对所制作的径向极化压电圆管超声换能器的导纳曲线进行了测试,并与数值模拟结果进行对比.结果表明,实验测试结果和数值模拟结果基本吻合,验证了数值模拟的可靠性,可为径向极化压电圆管超声换能器的设计提供指导.     

后置螺栓对换能器性能参数的影响

利用解析法,将后置螺栓视为T型四端网络计入换能器的机电等效电路中,推导了考虑后置螺栓时夹心式压电超声换能器的频率方程,分析了螺栓及螺帽的几何尺寸变化对换能器共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数的影响.结果表明,当改变螺栓和螺帽的长度和直径时,换能器共振频率、反共振频率均发生一定量的增大或减小,换能器有效机电耦合系数也发生较大幅度的变化.在合理选择螺栓和螺帽直径的基础上,当螺栓在前盖板中的长度约为前盖板长度一半时,换能器的性能较为优化.     

用于超声手术刀的夹心式换能器设计与有限元分析

传统的换能器设计方法成本高、效率低。利用理论计算并结合有限元方法设计了55 000 Hz的超声手术刀用压电换能器,以提高设计效率并验证方法的可行性。超声换能器设计为夹心式结构,使用PZT-8型压电陶瓷进行设计与仿真。首先理论设计出换能器各部件的初始尺寸并进行三维建模,将模型导入Workbench软件进行模态分析与谐响应分析,提取换能器工作时的谐振频率与输出振幅,并确定换能器最终尺寸。根据最终尺寸加工并装配得到实体换能器。最后利用阻抗分析仪对实体的谐振频率进行测量。结果表明,简化后的仿真模型谐振频率与实测值近似相等,为54 980 Hz。证明了设计思路的合理性与可行性,并对换能器的工作方式与优化设计提供了参考帮助。     

大功率径向振动压电超声换能器

对一种大功率径向复合圆管压电超声换能器的径向振动特性进行了研究.依据机电类比原理,推出了换能器的径向振动等效电路及共振频率方程;探讨了换能器的第1、第2阶共振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷元件位置的关系;实验测量了换能器的径向共振频率.结果表明,换能器径向共振频率的理论值与实测值符合较好.     

弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究

对弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及辐射声场进行了研究.该换能器由中心激励的弯曲振动圆盘及纵向振动夹心式压电陶瓷换能器组成.对圆板的轴对称弯曲振动进行了分析,得出了边界简支薄圆板的共振频率方程,推出了夹心式换能器与弯曲圆盘复合振子的机电等效电路及总体频率方程,并求出了其辐射远场声压分布指向性的解析表达式及换能器辐射近场的三维声压分布.结果表明,弯曲圆盘换能器的近场声压分布同样具有指向性,且主要分布在与换能器横向尺寸相同的空间内.对于弯曲振动圆板不同振动模式,等效电路参数及声场分布和指向性不同.     

径向夹心式复合换能器径向振动特性研究

研究了一种新型径向夹心式复合换能器的径向振动。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆环及内外金属环构成。获得了压电环及金属环的机电等效电路,根据机械边界条件,得到换能器的三端机电等效电路,并求得换能器的频率方程。得到共振频率反共振频率以及有等效机电耦合系数与复合换能器几何尺寸间的理论关系。同时用有限元方法对换能器的径向振动进行模拟仿真,并实验测量了换能器的共振与反共振频率。结果表明,理论计算、模拟仿真以及实验测量结果符合较好。