聚焦超声换能器的仿真与性能分析

高频声透镜聚焦超声换能器在电子器件评估与检测、材料微观机械性能表征、生物医学成像、细胞操控等方面具有重要的应用。结构参数是影响其性能的主要因素之一。该文通过有限元法对基于声透镜结构的高频聚焦超声换能器进行仿真模拟,分析了声透镜的开孔角度对该类换能器聚焦区域声压模式、横向分辨率、-6 dB景深等关键性能参数的影响。仿真结果表明,换能器的焦距和横向分辨率与理论计算结果接近。随着声透镜开孔角度的增大,换能器的横向分辨力随之提高,焦点处声压级逐渐增大,-6 dB景深逐渐下降。这为声透镜聚焦超声换能器的优化设计提供了一定的技术基础。     

复频聚焦超声压电换能器声场及频谱的研究

研制了一种新型复频变超声换能器,并从理论上计算了辐射声压在轴向上的分布曲线,进而确定了焦区位置,这与实验所得结果符合得较好。文章还对换能器在水中焦区辐射声场的频谱进行了研究,观测到了两个原波。和频波,差频波及倍频波,证实了声散射声效应的存在。     

超声针灸的“针”形声场实现

从改进超声针灸的声场形态入手,研究了针形声焦域的实现。通过在凹球面压电陶瓷片分割成6个面积相等的环域,对6个环域产生的轴向声场进行离散化。为了保证在针形声场区域内的声场尽可能的均匀、集中,针形区域外的声强尽可能的低,建立了约束规划模型。采用了拉格朗日乘子约束优化方法,对模型进行优化,最终得到了想要的声场分布。计算机模拟和实验都表明,用该方法设计的针形声场分布满足超声针灸的需要     

曲面超声换能器近声场指向性研究

通过结合物理声学原理推导出曲面结构及其等效动态相控阵列超声换能器所形成的近声场分布,并利用数学软件对超声近场声压进行近似数值仿真。通过分析比较各声场指向性的仿真结果表明,在给定的工作频率和介质条件下,对比于平面结构,二维半圆球壳的曲面压电晶片或等效相控阵元阵列结构的超声换能器在近声场可实现高强度聚焦,同时近声场焦点处的横向/纵向分辨率都达到最佳,旁瓣/栅瓣抑制也达到最大。最后给出了在曲面阵列优化设计方面一些有价值的规律。     

一种新型柔性夹持高频超声换能器设计

为了提升高频超声换能器输出振幅与超声能量的传输效率,该文提出了一种新型柔性夹持高频超声换能器,并基于模块化设计思想,综合机电等效法、四端网络、有限元分析及柔度分析技术,系统建立了此类型高频超声换能器的设计方法,制作了换能器样机,搭建了换能器电学、动力学特性测试平台。激振实验表明,柔性夹持换能器输出端稳态振幅较传统夹持换能器提升了38.55%。换能器输出端动态振幅信号时域、频域分析结果表明,将柔性铰链机构和传统法兰夹持结构相结合,通过引入柔性转动副,柔性夹持换能器超声能量传递效率提高了5.16%。这表明柔性夹持法兰能够提升夹持结构的运动解耦能力,具有一定的应用前景。     

一种新型的超声兰姆波换能器

针对固体板无损检测过程中超声兰姆波的多模态特性问题,本文设计并制作了一种可激发和接收单一超声兰姆波模式的新型超声兰姆波换能器。它由铜质叉指电极、导线、绝缘薄膜和YZ铌酸锂晶体等装配而成。采用矢量叠加法计算了叉指电极、YZ铌酸锂晶体相关参数,并将设计的叉指换能器应用于铝板的超声兰姆波检测实验中。实验结果表明,利用本文设计的叉指超声兰姆波换能器,可有效克服兰姆波频散和多模式的特性、实现特定频率下单一模态超声兰姆波信号的激发与接收。     

一种超声换能器阻抗匹配的研究

为了便于探鱼声纳更好的应用于小渔船,其换能器基阵应简易轻便,易于安装,因此把换能器的匹配网络放在干端,减小换能器基阵的体积与重量。为解决长线传输过程中换能器的阻抗匹配,提出了一种匹配方法,在实际应用中很好地解决了超声换能器的宽带阻抗匹配。     

基于1-3压电复合材料的透镜式聚焦换能器设计

为了抑制压电陶瓷透镜式聚焦换能器振动的多模耦合现象,提高换能器电声转换效率,采用1-3压电复合材料,设计了一种新型的透镜式聚焦换能器;首先计算并仿真了1-3压电复合材料的厚度谐振频率ft和厚度机电耦合系数kt,理论和仿真结果分别相差2.947％和0.933％;接着对换能器做振动分析,结果表明,在换能器谐振频率ft处,声透镜中心径向振幅仅为厚度振幅的7.9％,径向振动得到有效抑制,这有助于提高换能器电声转换效率.     

换能器布阵数量对超声清洗声场特性的影响

利用有限元法对粘贴有不同数量换能器的清洗槽的声场进行数值计算,并将声场中各点声压做统计处理来比较不同声场的强弱和均匀性.用电化学法测量了不同清洗槽的声场,实验结果和数值计算结果基本吻合.结果表明,在槽体尺寸一定时,声场强度并不随换能器个数的增加而线性增加;在换能器达到一定数量后,声场均匀性也不随换能器的增加而明显改善,此时存在一个最佳的换能器布阵数量.该文所得结果对换能器的布阵优化有一定的指导意义.     

层状多界面的超声相控阵换能器声场研究

针对层状多界面粘接检测存在的难点,采用相控阵超声检测技术进行研究.建立了矩形换能器的辐射声场模型与声束聚焦偏转的时间延迟计算方法,实现了对声束的聚焦偏转控制.采用7 MHz的超声相控阵换能器仿真研究了多层介质中声场的特性,从仿真结果得出相控阵超声技术可用来检测层状多界面结构的多界面脱粘情况.     

双锥面声透镜换能器的研究

通过数值计算和实际测量，研究了双锥面透镜聚焦换能器产生的声场，证实其能产生较细长的聚焦声束，且透镜的形状参数对声场分布有明显影响。     

球面-锥面声透镜换能器的研究

通过数值计算和实际测量，研究了球面－锥面声透镜聚焦换能器产生的声场，证实其能产生较细长的聚焦声束，并且透镜的形状参数对聚焦声场分布有明显影响。     

声频定向超声波扬声器的设计分析

声频定向系统利用了超声波在空气中传播的非线性交互作用和自解调效应直接在空气中产生具有高指向性的可听声音。介绍了声频定向扬声系统的原理和系统组成,重点分析了基于PVDF膜设计超声波换能器的要求和设计方法及一款超声波换能器。     

压电MEMS超声换能器阵列声场研究

研究了一种基于微电子和微机械加工技术的六边形压电超声换能器阵列。依据活塞声源辐射声场特性,采用瑞利积分法计算了方形膜声压及指向性函数;运用惠更斯原理,仿真模拟了阵列远场声压分布。理论分析了阵元边长、阵元中心间距和阵元数目等结构参数对阵列波束宽度、方向锐度角和旁瓣级的影响。结果表明,该阵列模型不仅能完全消除栅瓣,有效抑制旁瓣,减小主瓣宽度,且在低频(约10kHz量级)范围有很高的指向性。通过优化阵列参数,可获得最佳的声压分布,进而为阵列设计和声场分析提供理论参考。     

基于遗传算法的超声换能器阵列优化设计

声频定向传输系统可向外发射具有高指向性的声波信号,在工业、医疗和军事等领域具有重要的研究意义和价值。换能器阵列作为该系统中最关键的一环,仍存在成本高,能量转化率低和设备结构复杂等缺点。该文采用遗传算法对阵列布局方式进行优化设计,分析了阵元排列方式和数目对阵列指向性的影响,以达到在减少阵元使用数量的同时有效抑制旁瓣的目的。仿真实验表明,采用遗传算法优化后的阵列可使用更少的阵元数目,同时获得更低的旁瓣,使能量更集中在主瓣方向。因此,该方法可降低阵列设计的复杂度和制造成本,对于声频定向传输系统的改进具有一定的借鉴意义。     

电容式微机械超声换能器封装设计

针对电容式微机械超声换能器(CMUT)封装材料阻抗匹配失衡,应力大及声波能量损失大等问题,设计了一种在水下10m透声性能好、弯曲形变小的聚氯乙烯封装结构。依据透声理论和材料属性,计算封装结构参数。利用COMSOL Multiphysics 5.0建立封装结构三维有限元模型,通过模态分析和静态分析分别得到封装结构的固有属性和水下机械性能。封装结构的一阶共振频率为792.47Hz,不会对CMUT 400kHz的工作频段产生干扰。利用压力平衡装置保护水下系统安全性,水下10m最大形变为1.12mm,最大应力为14.4 MPa,未超过聚氯乙烯的弯曲强度。实际测试声压与理论值最大误差为4.8%,物距测量误差为1mm,设计的CMUT封装结构满足设计要求。     

海底管道检测用线聚焦超声探头声场研究

海底管道缺陷的检测是由管道内智能猪完成的,智能猪上的超声探头阵列以恒定的速度一次性爬过管道,采集并记录缺陷数据供离线分析。所以探头的种类和性能直接影响对缺陷的检出率。论文针对智能猪用柱形曲面声透镜水浸式线聚焦探头,建立了其声场模型,并对其轴线声场和焦距进行了数值模拟。最后,实测了其轴线声场分布。     

MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法

针对超声换能器阵列中阵元密度难以提升和工艺重复性差等问题,提出了一种基于硅-硅键合技术的MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的密排二维换能器阵列。阵列中每个声学单元均为由上电极、压电材料(PZT)层、下电极和支撑层组成的多层膜结构,并通过其弯曲振动模式实现超声波的发射和接收。制备样品的测试结果表明,采用该方法制作MEMS压电超声换能器阵列,具有阵元间距小、工艺流程可靠、成品率高、一致性好、工作频率(2.45MHz)与设计值(2.5MHz)的吻合度高等优点,适用于医学成像等高频超声成像系统。     

基于虚拟仪器的超声换能器阻抗分析仪设计

利用常规的信号发生器、数字示波器等测量仪器,结合计算机控制原理,从导纳圆图法测量换能器阻抗特性参数的原理出发,基于虚拟仪器的设计方法,通过计算机控制信号发生器产生换能器的激励信号,经信号调理电路处理,数字示波器采集换能器工作时的电压及电流,分析换能器的电流和电压信号及其相位差,求出阻抗特性参数.多组实验数据显示,设计的系统基本上达到了商用仪器的测量精度,能测量换能器主要特性参数,开发成本低,拓展了超声换能器性能参数的测量方法.