球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。

功率超声换能器电声效率及辐射声功率的测量

在高频电功率计方法的基础上，本文提出了一种能够直接测量大功率压电超声换能器在实用状态下的辐射超声功率以及电声效率的新方法。与传统的高频电功率计法相比，本方法避免了介电以及机械损耗功率的测试，简化了测试步骤。

B2功率超声振动系统的电声效率测量

本文用导纳圆图法和谐振导纳计算法，分别对用于超声清洗和塑料焊接的两个振动系统的电声效率进行了测量。结果表明在小信号和功率输出下，其电声效率基本相等。测量误差不超过±１５％。为通过电声效率和电功率测量。

圆柱超声换能器的负载特性及其电声效率

对圆柱超声换能器在液体中的负载特性进行了研究,推导得出了换能器在液体介质中径向声辐射阻抗,并得出了有载圆柱压电超声换能器的频率方程;探讨了有负载的圆柱换能器输入阻抗随液面半径变化的关系.理论计算表明:随着液面半径的增加,换能器径向辐射阻抗在-∞～∞周期性变化;换能器在液体中会产生谐波共振,谐波数随液面半径的增大而增加.通过实验测量了圆柱换能器在水介质中的谐波共振频率,理论和实验测量结果吻合较好.此外,实验测定了换能器在水介质中的电声效率.

功率超声换能器电声效率测试装置的研究

本文以单片机为测试工具，研制了一台测量功率超声换能器电声效率的测试装置。采用本装置可以通过对电声匹配电路电学参数的测量，方便。

声频定向系统电声效率的提升方法和实验研究

压电陶瓷换能器是声频定向传输系统中的发声部件,以往的此类试验系统中,换能器和前级功放电路之间的阻抗匹配问题考虑较少,而阻抗失配会影响整个系统的工作效率,甚至造成功放和换能器的损毁。该文根据压电陶瓷换能器的电学特性,对声频定向传输系统中阻抗匹配对其电声效率的影响进行了研究,提出了该类系统的阻抗匹配理论方法,并通过实验对功放匹配电路的性能进行了测试。结果表明,利用该文所提方法可使距离系统3m处的最大声压由58dB增大到73dB。

球壳换能器电声效率测量方法研究

换能器电声效率是高强度聚焦超声系统治疗剂量预测的重要参数。基于平面扫描法、辐射力天平法和自易法测量球壳聚焦换能器的输出声功率,同时测量换能器激励电功率,计算得到换能器电声效率。以1.1 MHz的球壳换能器为被测对象,平面扫描法的相对扩展不确定度为14.21%,辐射力天平法的相对扩展不确定度为5.82%,自易法的相对扩展不确定度为15.30%。3种方法测量所得电声效率偏差在4%以内,实验证明3种方法在测量球壳聚焦换能器的电声效率时具有较好的一致性。

基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统

聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,电声转换效率是衡量其性能重要指标之一,实际工作中常以电声转换特性来确定治疗系统的工作频率和驱动参数,这对其测试系统的准确性、效率和便捷性提出很高的要求。为此,构建一套自动测试系统,采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率;运用辐射力天平测量换能器输出声功率;基于虚拟仪器技术开发上位机自动测试软件,实时采集和处理测量数据。基于所开发的自动测试系统,测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率,采用变异系数对系统的稳定性进行分析,并与人工测试方法作对照。结果表明,测试系统具有较好的准确性,且单次测试时间可缩短5倍以上,在驱动功率分别为10、20和30 W情况下,自动测试系统(变异系数分别为4.06%、4.31%、4.65%)比人工测试(变异系数分别为4.14%、4.69%、5.83%)更稳定,满足测试系统应用需求。

火箭强噪声模拟装置结构对电声转换效率影响分析

建立了火箭强噪声装置单元工作特性参数计算模型。仿真分析了单元结构中谐振小孔数量和声道扩张角变化对单元内声场特性的影响。结果表明谐振小孔对声压和电声转换效率有着重要影响。当小孔数量减少时,谐振频率降低,喉部声压增大,电声转换效率呈现先升高后降低的趋势;声道扩张角增大时,喉部声压级降低,出口质点速度变小。

电磁超声电声转换效率的影响因素分析

电磁超声是一种非接触超声检测方法,因不需要耦合剂,在一些常规超声无法实施的特殊检测领域发挥着重要作用。但是,由于电磁超声电声转换效率低,制约着电磁超声的广泛应用。分析了几种参数对电磁超声电声转换效率的影响,包括探头的提离、激励信号的电流幅值、频率、周期个数和仪器的输出功率等几个因素。研究表明:随着探头提离的增大,电磁超声的信号几乎成指数衰减;通过优化激励信号的电流幅值、周期个数和激励频率以及在探头两端增加阻抗匹配单元,可以提高电磁超声的电声转换效率。

水下等离子体声源的电声转换模型研究与计算

水下等离子体技术已经在诸多领域得到广泛应用,由于其高压脉冲放电的瞬时性和不易观测性,对于该技术电声转换的研究尚未有成熟的理论模型。本文结合水下等离子体声源电声转换装置,较全面地分析了充电回路和放电回路的电特性。在此基础上,给出了系统输入能量、电容器储存能量、负载消耗能量和声能量等概念的定义和计算公式,建立了水下等离子体声源电声转换的模型以及系统总效率模型。最后结合实验装置参数,对水下等离子体声源的电声转换模型进行了验证性计算。研究结果表明本文的电声转换模型是有效的,本文研究成果可为水下等离子体声源系统充放电回路参数的合理设计提供理论参考。

关于电声器材未来发展趋势的探讨

根据科技产品由简单到复杂再到简而精,体积也由小到大再到小而精的这一螺旋上升的发展规律,以及电声器材随着使用环境和规模的变化,对电声器材提出新的使用需求的形势下,指出电声器材为适应这种需求,将来会按大、小、宽、轻、精这五个方面形成发展趋势。并从理论上和实际生产中,提出实现这五个方面的具体途径和要求。列举了电声器材相关参数的相互制约作用,指出设计师怎样从中寻求平衡。同时,也预期将来有新的电声理论的出现而给电声器材性能的突破进一步指明方向。

POM圆盘轴对称弯曲振动研究

研究了一种材料为聚甲醛(POM)的薄圆盘声波辐射体,压电换能器在其中心处产生振动激励.采用解析法设计了POM圆盘,用有限元方法对POM圆盘−换能器振动系统进行了建模、计算.在系统谐振频率处,有限元计算和实验测试了圆盘的振动位移与系统的电声效率.结果表明,POM圆盘和钢圆盘半径、厚度相同时,POM圆盘−换能器振动系统在空气中的半功率带宽更宽,而钢圆盘−换能器振动系统的电声效率更高;POM圆盘−换能器振动系统更易施加较高的电压或有功功率;激励电压相同时,POM圆盘的振动位移大于钢圆盘.

基于1-3压电复合材料宽带超声换能器研究

电声转换效率与换能器带宽是评价聚焦超声换能器性能的重要指标。传统压电陶瓷制备的聚焦超声换能器,其电声转换效率与换能器带宽偏低。该文采用实验结合仿真模拟的方式,通过研究1-3压电复合材料中压电相的体积比、环氧相改性、调控匹配层阻抗与匹配层厚度对换能器性能的影响,开发了一种基于1-3压电复合材料的聚焦超声换能器,实现了82.3%的电声转换效率与140 kHz的换能器带宽。结果表明,与同等规格的传统压电陶瓷聚焦超声换能器相比,该超声换能器的两项指标分别提升了105%与250%,这为大功率聚焦超声换能器的设计开发提供了参考与指导。

圆盘型弯张换能器研究

弯张换能器和弯曲圆盘换能器利用金属结构体的弯曲振动产生声辐射,是低频水声发射器广泛采用的结构形式.提出将两者联合的设计思想并设计研制了一种圆盘型弯张换能器,换能器结构中采用径向极化的压电陶瓷(PZT4)圆环驱动弯曲圆盘振动,圆盘的中间部分设计一个圆拱型内凹结构,其工作方式类似于V型弯张换能器的单侧振动壳,圆盘外面的环形部分采用20 mm的均匀厚度,并且加工径向槽分割成16个均匀的扇形结构.研制了换能器样品,通过ANSYS分析和水池测试得到换能器的电声性能:换能器谐振频率为1 800 Hz,最大发射电压响应为110 dB,最大声源级为170 dB,电声效率为76%.换能器样品直径210 mm,厚度46 mm,重量仅3.8 kg.结果表明:这种换能器具有低频小尺寸高效率的特点,在小型低频声纳发射系统和主动噪声控制系统方面将有良好的应用前景.

夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计

文中为换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施,并对功率超声夹心式压电陶瓷换能器工程设计中的一些重要问题(即换能器各部分的功能及选择,压电陶瓷元件的位置优化,接触界面对换能器性能的影响与预应力的选择及影响等)进行了简要的分析。结论表明,文中所述对于优化设计、改善并提高性能具有参考和使用价值。

扬声器驱动热声制冷机的频率特性研究

对电声制冷机的电声效率的影响因素及与工作频率的关系做了实验研究。实验表明,回热器长度和填料种类、位置以及谐振腔长度、工作气体等都对工作频率有影响,存在一个频率迁移,使制冷机工作在优化范围。对于扬声器参数及电声效率计算采用网络模型做了验证计算。计算结果和实验是一致的。

双壳嵌套鱼唇式弯张换能器

研究了一种双壳嵌套鱼唇式弯张换能器,针对特殊结构的空气背衬弯张换能器提出了表征换能器静压形变的系列参数,利用有限元方法研究了这些参数与结构参数的对应关系,并进行了换能器的静态分析。在静态分析基础上,研究了结构参数对换能器声辐射特性的影响,经对比分析得到换能器的优化方案,研制了实验样机,经外场试验验证了双壳嵌套鱼唇式弯张换能器具有小尺寸、频率低、高效率、大功率的工作特性:谐振频率800 Hz、最大声源级199.5 dB、电声效率23.6%、工作深度200 m。

声致穿孔仪的研制

在超声波作用下所引起的振动能改变细胞膜表面结构,可使细胞膜通透性增加。利用这一原理,近十几年来新兴起了使用超声作为辅助手段的声致穿孔方法。可以借助超声作用将目标大分子(如药物、DNA等)定点传输到细胞内,起到精确治疗和基因治疗的作用,并借助超声增强治疗效果。但其相应的实验用超声设备尚未达到完美,有多处可作改进。现有设备每次实验时只能对一个样本进行操作,作者在已有的设计思想基础上进行改进,设计制造了新的声致穿孔仪,并从导纳特性、电声效率、声功率以及声压分布等多方面对仪器的性能进行了测试。结果表明,该仪器性能达到了设计要求,使用该仪器进行的声致穿孔实验也取得了较为满意的结果。

高强度Helmholtz声源的声学特性研究

为研究Helmholtz声源的声学特性,设计并制作了一款由扬声器和Helmholtz共振器组成的Helmholtz声源,并对其等效声阻抗、两端电压、输出声压值和电声转换效率随信号频率变化的响应特性进行了初步探索。结果表明,Helmholtz声源的声学特性与扬声器和Helmholtz共振器的相互作用有关,Helmholtz声源的声学阻抗特性主要由Helmholtz共振器决定;扬声器的谐振或Helmholtz共振器的共振能够增强Helmholtz声源的声波辐射能力,可以有效提高声源的电声转换效果;在选定的实验条件下,Helmholtz声源的最大输出声压值约是扬声器的22倍,此时Helmholtz声源的电声转换效率高达113%。