基于正交实验的Spherical-cymbal换能器谐振频率优化

基于板壳振动理论建立了spherical-cymbal换能器谐振频率近似模型,为得到该换能器在约束条件下的最低谐振频率,采用正交实验法对其进行了优化设计,找出了各设计因素对spherical-cymbal换能器谐振频率影响的主次顺序,得到了约束条件下各设计因素的最佳水平。在各设计因素最佳水平综合搭配下,优化的spherical-cymbal换能器的谐振频率达到最小值19.004 k Hz,完全满足设计目标要求。对最优方案样品的一阶谐振频率进行了测试,实测谐振频率均值为19.27 kHz,相对误差1.4%,表明设计方案是正确合理的。

Spherical-cymbal换能器静水压性能研究

对Spherical-cymbal换能器的静水压性能进行了研究。采用有限元法计算了该换能器在静水压下的米塞斯等效应力,找出了其所能承受的极限静水压。研究了金属端帽几何尺寸及端帽材料对Spherical-cymbal换能器耐压极限的影响,结果表明,空腔深度、端帽厚度及端帽材料对该换能器耐压性能影响显著;对比研究表明,参考尺寸下的Spherical-cymbal换能器比传统Cymbal换能器具有更高的耐压极限。

Spherical-Cymbal换能器端帽自由胀形过程建模

为掌握Spherical-Cymbal换能器端帽自由胀形的成形规律,在端帽材料选定、几何尺寸(包括外径D、空腔底部直径dc和厚度te)及胀形压边力不变且线性加载等约束条件下,采用ANSYS/LS-DYNA软件对几种不同加载终压P下端帽的自由胀形成形过程进行了数值模拟。通过非线性曲线拟合分别得到了加载后端帽中心高度与加载终压(HP-P)、卸载回弹量与加载终压(ΔH-P)及卸载后端帽中心高度与加载终压(H-P)之间关系的数学模型。实验结果表明,在以上约束条件下,所建数学模型揭示了Spherical-Cymbal换能器端帽的自由胀形成形规律,可用于指导实际生产。

Spherical-Cymbal换能器位移特性有限元分析

提出了一种新型的Spherical-Cymbal压电复合换能器,Spherical-Cymbal换能器由厚度方向极化的压电陶瓷薄圆片夹持在两个球形金属端帽之间制成,每个金属端帽内表面均有一个浅球冠形空腔,球形金属端帽起机械放大作用,它将压电陶瓷薄圆片的微小径向位移转换并放大为垂直其表面的较大的轴向位移。分析了影响Spherical-Cymbal换能器轴向位移性能的几何因素及物理因素,采用ANSYS软件对Spherical-Cymbal换能器位移特性进行了仿真。

Spherical-Cymbal换能器位移特性研究

提出了一种新型高位移性能的球冠钹型(Spherical-Cymbal)压电复合换能器。Spherical-Cymbal换能器由厚度方向极化的压电陶瓷薄圆片夹持在两个球形金属端帽间制成,每个金属端帽内表面均有一个浅球冠形空腔,球形金属端帽起机械放大作用,它将压电陶瓷薄圆片的微小径向位移转换并放大为垂直其表面的较大的轴向位移。在变形假设条件下,建立了Spherical-Cymbal换能器的位移简化模型。数值计算结果表明,Spherical-Cymbal换能器比钹型(Cymbal)换能器具有更好的位移特性,某给定几何尺寸Spherical-Cymbal换能器的轴向位移是无端帽压电陶瓷薄圆片轴向位移的43.7倍,是相同尺寸Cymbal换能器轴向位移的1.1倍。

Spherical-cymbal换能器端帽自由胀形回弹预测与控制

为更经济地制造出质量更高的Spherical-cymbal换能器端帽,在其成形中用自由液压胀形工艺取代传统的冲压工艺,并对其自由胀形中的回弹问题进行了重点研究。采用ANSYS/LS-DYNA软件对端帽的自由胀形回弹量进行了预测,并根据约束条件及有限元模拟结果提出了回弹控制措施。实验结果验证了采用有限元数值模拟进行Spherical-cymbal换能器端帽自由胀形回弹预测与控制的可行性。

基于声黑洞设计理论的径向夹心式径-弯复合换能器

基于弯曲波在声黑洞(acoustic black hole,ABH)结构中振幅不断增大的特性,提出了一种新型径向夹心式径-弯复合换能器,该换能器由径向夹心式圆环换能器与外围的环形ABH结构组成.ABH结构的存在实现了换能器径向振动与弯曲振动之间的转换,提高了换能器的声辐射性能.利用几何声学的方法建立了ABH结构弯曲振动的解析模型,给出了其弯曲振动的本征频率,并结合有限元方法讨论了换能器机电转换性能随尺寸变化的关系.通过有限元方法给出了该换能器在空气中的辐射声压场、辐射声强以及辐射指向性,仿真结果表明,ABH结构的存在能够改善换能器弯曲振动的机电转换性能,提高换能器的声辐射性能,使换能器呈现出一定的辐射指向性.最后通过实验对换能器样机的电阻抗特性以及振动模态进行测量,实验结果与仿真相符合.

高纯度横波蝶形线圈电磁超声换能器优化设计

蝶形线圈电磁超声换能器(EMAT)能够在铝块中同时激发出超声横波和纵波,接收信号中存在横波反射回波和纵波反射回波,纵波回波会影响缺陷检测的准确性。该文设计了一种变尺寸蝶形线圈EMAT,通过改变线圈不同位置导线的宽度与间距,改变不同位置的换能效率,以实现横波的增强和纵波的抑制。首先,考虑永磁体的空间磁场分布,分析蝶形线圈EMAT不同位置导线所受洛伦兹力与激发超声波类型的关系,结合有限元声场云图,得到EMAT接收信号中存在多个回波的原因;其次,研究线圈参数对换能效率和横波纵波幅值比的影响规律,利用有限元仿真确定变尺寸EMAT的设计参数;最后,制备常规与变尺寸蝶形线圈EMAT,采集无缺陷铝合金试块的回波,结果表明,当永磁体直径与线圈中心宽度比为1.92时,纵波幅值削弱了66.1%,横波幅值增大了36.3%,横纵波幅值比从5.8升至23.1。该文设计的变尺寸蝶形线圈EMAT实现了对纵波的削弱和横波的增强,提升了横波电磁超声内部缺陷检测的可靠性。

用于血管内超声成像的高频换能器研制

血管内超声(Intravascular Ultrasound,IVUS)成像技术可以精确评估血管腔口径、血管壁形态和其他相关血流和血管特性,在冠状动脉疾病的诊断、治疗指导和治疗后的评估中发挥着重要作用。文章设计并制备了一种用于血管内超声成像的高频超声换能器,并对换能器的电学和声学性能进行测试和表征。结果表明,所制备IVUS换能器的中心频率为38.9 MHz,-6 dB相对带宽为56.6%,在谐振频率42.3 MHz处的电阻抗为22.6Ω,在反谐振频率48.2MHz处的电阻抗为56.5Ω,有效机电耦合系数为0.48。使用该换能器进行线仿体成像实验的结果显示,换能器的纵向分辨率为54μm,横向分辨率为209μm。最后,将文中制备的超声换能器与国外同类型换能器进行比较,结果表明,该换能器的性能良好,能够满足血管内超声临床检测需求,未来有望能够突破技术瓶颈,实现国产替代。

基于Barker码脉冲压缩技术的钢板多阵元Lamb波电磁超声换能器设计与优化

为了解决传统Barker码脉冲压缩技术受脉冲功率放大器额定参数(占空比,最大脉冲宽度等)限制而导致的脉冲压缩效果下降、检测速度降低等问题,提出一种基于Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波电磁超声换能器(EMAT)。建立了基于tone-burst信号激励-Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波EMAT检测过程的有限元模型,分析了永磁体的配置形式、阵元序列长度、激励信号周期数、曲折线圈匝数等因素对脉冲压缩后的主旁瓣比和主瓣宽度的影响,并进行了实验验证。结果表明:曲折线圈匝数为4和Barker码序列长度为13位的多阵元EMAT在配置3对外置永磁体后,其信噪比(SNR)可提高9.8 dB。综合考虑检测回波的空间分辨率和SNR,多阵元Lamb波EMAT最佳参数为:曲折线圈匝数为10、激励信号周期数为11、Barker序列为13位,并配置3对外置永磁体。

超磁致伸缩换能器磁场强度建模与线圈优化分析

磁场强度是决定换能器性能的关键变量,为了提高超磁致伸缩换能器(GMA)的磁场强度和输出位移,本文提出了一种新型的弓张式发音振子结构,用COMSOL软件建立二维模型,得到超磁致伸缩材料(GMM)棒内部磁场分布情况。由于弓结构内部空间受限,对激励线圈进行优化,讨论了导线经验模型、静态电阻和电感模型的适用性,建立了线圈的平均磁场模型,以线径为决策变量,计算了正弦响应下不同线径的振幅比和相位滞后。结果表明:该模型在计算电阻和电感时的相对误差分别小于5.3%和4.1%。在预测正弦响应时,计算振幅比的误差低于6.6%(在大多数条件下低于1.8%),计算滞后相位的误差低于3.4%。较宽的导线直径对提高磁场振幅有较大的帮助,但对磁场的相位滞后性影响很小。

基于PZT/Terfenol-D双层复合结构的导波换能器研究

为了解决传统磁致伸缩换能器激励信号能量弱、检测效率低的问题,提出一种基于PZT/Terfenol-D双层复合结构的导波换能器以提高换能效率。首先,建立换能器的谐振磁电动力学模型,设计换能器结构;其次,对设计的换能器进行仿真,验证换能器模型的合理性及可行性,并对其进行结构优化;最后,制作样机进行试验,采集换能器的激励信号能量,与传统磁致伸缩换能器和PZT换能器进行对比,并对获取的各组超声导波信号进行滤波处理,计算各自信号的幅值平方和。试验结果表明:所设计的换能器激励信号幅值平方和为PZT换能器的1.49倍,大于传统磁致伸缩换能器与PZT换能器激励信号幅值平方的总和。

天牛须算法在优化磁致伸缩换能器中的应用

磁致伸缩换能器换能效率不高是锚杆无损检测准确度较低的重要原因,确定合适的线圈结构参数对提高换能效率至关重要。基于Comsol多物理场有限元仿真模拟软件建立锚杆无损检测模型,首先,确定不同线圈匝数和不同提离距离对换能效率的影响规律;其次,将天牛须算法和粒子群遗传算法应用于线圈参数的本体优化问题,提出以提高换能器换能效率为优化目标、以线圈匝数和线圈提离距离为自变量的单目标优化设计模型,筛选出最优的线圈结构参数;最后,搭建锚杆无损检测实验平台,将自变量取值范围内的数值分别进行实验验证。研究结果表明:增加线圈的匝数、缩短线圈提离距离可以提高磁致伸缩换能器的换能效率;天牛须算法和粒子群遗传算法优化参数相同且符合仿真得到的影响规律,相比于粒子群遗传算法,天牛须算法原理简单、参数少、运算量少,在处理低维优化问题时具有更大的优越性;实验得到的线圈参数取值与算法优化结果一样,验证了天牛须算法用于锚杆换能器参数优化可靠且快速。

PIMNT单晶弯曲圆盘换能器设计

新型弛豫铁电单晶材料铌铟酸铅-铌镁酸铅-钛酸铅晶体(Pb(In_(1/2)Nb_(1/2))O_(3)-Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3),PIMNT)的压电系数是陶瓷材料的6倍以上,应变量高出压电陶瓷10倍以上,具有较高的机电耦合系数,压电性能优于传统PZT材料。文章将单晶材料应用于带空气腔的弯曲圆盘换能器中,利用ANSYS仿真软件优化换能器结构,确定换能器尺寸,设计制作PIMNT压电单晶换能器和PZT4压电陶瓷换能器,并进行了水池实验。换能器实测结果与仿真结果保持一致,单晶换能器的谐振频率为2.85 kHz,最大发送电压响应为136.3 dB。结果表明,相比于同尺寸的陶瓷换能器,将PIMNT压电单晶应用于弯曲圆盘换能器可降低谐振频率,提高发送电压响应,提升换能器的工作性能,为进一步改善单晶换能器综合性能提供参考。

高频宽带换能器多匹配层研究

在水声应用中,高频换能器往往需要较宽的工作带宽,以获得更多的目标信息。文章首先建立了等效电路模型,利用粒子群算法对匹配层材料和厚度进行初步选定,使得换能器具有最宽的工作频带;其次,通过有限元方法对匹配层换能器的导纳和发射电压响应进行分析计算;最后,在理论分析的基础上成功制得三匹配层高频宽带换能器,其工作频段约为150~430 kHz,相对带宽为93%,带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验结果表明,三匹配层设计方案可以有效拓宽高频换能器的工作频段。

面向电磁水声换能器的高静低动型悬架动力学研究

针对目前线性悬架无法兼顾电磁水声换能器降低谐振频率与承载较大静水压力的难题,设计引入了高静低动型悬架装置,并分析其对换能器声辐射性能的影响。建立了系统动力学模型和动态特性微分方程组,仿真分析了引入非线性刚度前后换能器系统声源级及谐振频率的变化。研究了输入电压对不同系统谐振频率的影响,探究了不同高静低动系统之间的差异。通过锤击试验测得引入高静低动刚度前后悬架的固有频率和加速度导纳。研究结果表明:相较于原线性悬架,高静低动型悬架在承受相同负载时具备更低的固有频率,低频段内具有更高的加速度。在电磁换能器中引入具有高静低动刚度特性的悬架装置可以获得比原系统更低的谐振频率,使低频区域内的声源级得到提升。

柔性超声换能器在生物医学中的研究进展

传统超声换能器存在体积大、表面刚性的缺点,无法用于人体复杂皮肤表面和可穿戴器件的设计。为使换能器具有灵活、体积小,满足可穿戴的特点,将其压电元件、电极和封装等各组成部分重组为柔性换能器。相比于传统换能器,它有两个优点:首先,不需要专业人员操作,可实现持续性的超声监控或治疗。其次,通过更全面的皮肤表面覆盖,扩大声场范围。在超声诊断方面,改善声信号采集,获得更全面的检测信息;在超声治疗方面,增加声能量沉积,提高疗效。柔性换能器使超声医疗应用场景多元化,可实现连续超声诊断或超声治疗。该文首先概述了其在设计和加工方面的最新进展,然后重点介绍了其在诊断和治疗方面的应用,最后讨论了这一领域所面临的挑战并对发展前景进行展望。

电动式换能器:结构、性能及其在声学模拟和校准中的应用与发展趋势

电动式换能器以其小尺寸、超低频、超宽带发射的特点,在舰船辐射噪声模拟、声呐系统校准等领域具有广泛应用。总结了电动式换能器的结构及性能特点,讨论了超低频、超宽带发射的原理,回顾了电动式换能器驱动磁路优化、工作频带拓宽、工作深度提升等相关工作。针对电动式换能器研究中的非线性问题,提出了优化驱动磁路来降低输出力的非线性效应、改善电动式换能器与功率放大器的阻抗匹配以降低波形畸变及谐波失真。对于声腔对换能器性能的影响,可以通过在声腔内充入特性阻抗较小的气体以抑制声源级响应起伏现象。电动式换能器未来的研究应以改善大深度环境下超低频段的声辐射性能、提升连续工作时间及可靠性、降低非线性失真为主要方向。

治疗超声系统中换能器声学性能的声全息法评估

换能器的聚焦特性等声学性能是治疗超声系统的重要参数之一,在出厂前和日常维护中须精确测量。目前常用的水听器测量法结果准确,但受声压幅度及测量效率的限制,高功率量程的声功率计造价较高;而基于声全息的表面振动模式测量法可作为高声压下水听器和声功率计测量法的补充,测量小声压平面并对高幅度声压焦域进行重建。为评估声全息法的准确性,文章研究了在小声压下使用基于声全息的表面振动模式测量法对声场进行测量和重建,分析该方法与水听器测量结果之间的功率和声压误差,以及影响误差的重要参数。结果表明,基于声全息的表面振动模式测量法可重建得到与水听器直接测量相近的结果,有望对高声压下工作的换能器的声场特性进行评估。

不同负载下液化换能器动态电阻特性研究

针对液化超声中超声振子在不同负载下工作导致的换能器发热不同,进而影响换能器工作效率和使用寿命问题,从理论和实验方面研究了工作在串联谐振点的换能器在不同负载环境下的动态电阻变化和发热特性。研究获得了不同液体负载条件如不同液体温度、液体黏稠度、浸入深度、液体密度等下,换能器的动态电阻变化与换能器发热量的映射关系。针对串联谐振频率下的换能器,通过理论计算得到了动态电阻与电压电流关系。针对阻抗分析仪驱动功率较低,不能准确测试换能器有载时的动态电阻变化趋势的缺点,设计了一种测试换能器有载时的动态电阻变化趋势的方案。基于频率追踪芯片实现了频率追踪电路,保证了超声换能器工作频率始终处于换能器串联谐振点。本研究可为提升工作在复杂负载环境下的超声电源可靠性提供参考。