具有大指向性开角及高发射电压响应的发射换能器

应用复合变幅杆及夹心式换能器结构,研制了一种指向性开角较大且发射电压响应较高的发射换能器。应用有限元方法对换能器的工作频率,发射电压响应及指向性进行了理论计算。并与实验结果进行了比较,结果较吻合。本文研制的换能器工作频率为75.6kHz,发射电压响应级达到1 56dB(基准值1V/μPa)。

发射型钹式换能器的研究

为分析低频钹式换能器的发射电压响应、辐射声功率、发射效率等性能参数,通过ANSYS有限元软件建立了发射换能器的轴对称模型,设计了不同结构参数的共振频率为2kHz左右发射型钹式换能器,从结构阻尼入手,通过仿真分析计算,得到换能器的带宽、品质因数等,比较了不同结构参数的换能器的各项性能,绘制了不同结构参数的发射电压响应曲线,为分析设计钹式换能器提供了理论依据。

基于Comsol的宽带复合棒水声换能器优化研究

为了进一步降低复合棒水声换能器的谐振频率,拓展工作带宽,同时减小发射电压响应起伏,利用有限元软件Comsol对一个三激励宽带复合棒水声换能器的振动模态进行分析,研究弯曲盖板、辐射头的材料和结构尺寸对复合棒水声换能器发射电压响应的影响规律,通过优化结构尺寸改善其发射电压响应。最终优化仿真的结果表明,优化后的复合棒水声换能器工作范围从9~31 kHz,可工作带宽为22 kHz,发射电压响应都处于130 dB以上,有效拓宽了多激励宽带复合棒水声换能器的工作带宽。

1-1-3型压电复合材料的水声换能器研究

应用切割灌注法制备了1-1-3型压电复合材料,并对其电学性能进行了测试。1-1-3型压电复合材料通过在压电晶柱间引入2种具有不同杨氏模量的聚合物,提高复合材料整体的机电耦合系数。经测试,其机电耦合系数达0.65。以此材料为基础制备了谐振频率为110kHz的水声换能器,并研究了匹配层对1-1-3型压电复合材料换能器性能的影响。通过对比发现,当换能器具有匹配层结构时,可产生共振效应,能有效提高换能器的发射电压响应及接收灵敏度。

凹桶型弯张换能器有限元计算及其实验验证

用有限元法对凹桶型弯张换能器进行了建模与分析计算。首先介绍了用有限元模型分析换能器的基本理论,然后建立了凹桶型弯张换能器的轴对称有限元模型,给定换能器的材料属性与边界条件,计算其在空气和水中的导纳曲线,及其发射电压响应。分别在空气和消声水池中对凹桶型弯张换能器的导纳曲线、谐振频率及发射电压响应进行了实验测量,理论计算结果与实验测量结果基本一致。研究结果表明,用有限元模型对凹桶型弯张换能器进行建模与计算是正确有效的,它能在换能器的设计阶段就对其性能进行预报从而指导换能器的设计,并为进一步分析换能器的声辐射特性提供了表面振动位移和振速分布。

双激励宽带水声换能器理论研究

如何有效提高水声换能器的工作带宽一直是水声界关注的热点,本文从理论上探讨了一种拓展水声换能器带宽的方法,对该类型水声换能器带宽影响较大的因素进行了详细的分析。仿真结果表明,通过调整中间质量块和后质量块的材料与尺寸可以有效地改善换能器的发射电压响应带宽。比较了有限元方法与传统一维(1D)等效电路方法,结果表明,传统1D等效电路方法也可以用来设计这种换能器,同时给出了设计该型宽带换能器的规律,对换能器设计人员有一定的参考价值。

折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器

提出一种具有小尺寸、低频、水平无指向性的新结构换能器——折回型纵向振子拼合圆柱换能器,换能器由4组共享尾质量块的折回型压电纵向振子正交布置驱动环形辐射面拼合构成。采用有限元方法对换能器进行优化设计,并制作了换能器样品。实验结果表明:换能器直径为Φ180 mm,谐振频率为1.5 kHz,最大发射电压响应为131 dB,最大声源级不低于188 dB,水平全向。该换能器具有低频、小尺寸、水平无指向性的特点,具有良好的应用前景。

基于1-1-3型压电复合材料水声换能器性能分析

为提高高频水声换能器的性能,提出了一种基于1-1-3型压电复合材料的带有梯形匹配层的水声换能器设计。应用有限元方法分析了有无匹配层对复合材料电性能、辐射端振动位移的影响。并研制了带匹配层和不带匹配层的2种水声换能器。测试结果显示引入匹配层使得水声换能器在谐振频率为360 kHz时最大发送电压响应达到169.4 dB,接收电压灵敏度为-190 dB,-3 dB下接收信号带宽最大可达70 kHz,最大声源级达到208 dB。发送电压响应比没有匹配层的换能器提高了3.8 dB、声源级提高了6 dB、接收带宽拓宽了1.45倍。

陶瓷体积分数对压电换能器性能影响

研究了压电陶瓷体积分数(vc)对1-3型压电复合材料换能器收发性能的影响。换能器的收发性能主要由发射电压响应和接收灵敏度来衡量。通过有限元仿真和实验,分析了换能器的接收灵敏度和发射响应随压电陶瓷体积分数变化的规律,并将实验与有限元计算结果进行对比,二者基本吻合。实验和仿真结果表明,当陶瓷体积分数vc<0.4时,换能器的发射电压响应呈增长趋势;当vc=0.4~0.7时,发射电压响应趋于稳定值(173dB)。当vc=0.2~0.4时,接收灵敏度呈增长趋势,在vc在0.4附近达到-180.4dB;当vc=0.4~0.6时,接收灵敏度逐渐减小。

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。

压电微机械超声换能器仿真与结构优化

压电微机械超声换能器(PMUT)在医疗阵列成像、手势识别、内窥成像、指纹识别等领域有着重要的应用,而灵敏度等性能是影响其成像质量的主要因素。该文对基于PMN-PT圆形压电复合振动膜的压电微机械超声换能器等效电路模型进行分析,并通过有限元法研究了压电层PMN-PT厚度对PMUT的发射电压响应、接收灵敏度的影响。仿真结果表明,当压电层厚度为4.5μm(厚度为基底厚度的90%)时,换能器的发射电压响应级最大,达到191.6 dB,接收灵敏度级随厚度的增加基本呈线性上升趋势;当压电层厚度为5.1μm(厚度为基底厚度的102%)时,回路增益(损耗)最大,达到-64.50 dB。

基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列研究

该文设计了一种基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列,并采用有限元法分析了阵元的导纳特性。应用有限元法对比分析了基于1-1-3型和1-3型压电复合材料直线型换能器阵列的电导,以及阵元位置对电导的影响。为进一步验证仿真结果,该文设计了一种“一体成型”的换能器阵列制备工艺,并制备了实验样品。实验结果表明,1-1-3型直线型换能器阵列比1-3型直线型换能器接收灵敏度一致性稳定提高4 dB,发射电压响应的一致性稳定在0.6 dB内,有效地提高了高频换能器阵的阵元一致性。

基于Comsol的纵振宽带水声换能器优化

为了使换能器得到更大的工作带宽以及降低发射电压响应起伏,提出一种空腔式多激励纵振水声换能器,通过有限元分析,研究换能器在不同阶段的振动模态以及在空气和水中的谐响应特征,实现水声换能器的带宽发射。通过对各个部件的材料、尺寸优化后,得到换能器的工作带宽10~31.5 kHz,发射电压响应起伏5.1 dB以及发射电压响应幅值127 dB。根据优化后的参数加工制作了纵振水声换能器样机,并在消声水池进行实物测试,得到可用工作带宽为11.5~30.5 kHz,发射电压响应起伏在±3 dB,平均幅值126 dB。试验结果和计算机仿真结果基本吻合,符合预期要求。