圆锥型压电换能器的动态设计与实验研究

超声换能器的优化设计与性能研究超声波技术在医学、工业、环境等领域都有广泛的应用，而超声换能器作为超声波发射器和接收器的重要组成部分，对超声波的产生和检测起着至关重要的作用。

为了提高超声波传感器的性能和可靠性，优化超声换能器的设计是必要的。

本文将从超声换能器材料、结构、工艺等方面入手，探讨超声换能器的优化设计与性能研究。

一、超声换能器材料的选择超声换能器的材料对其性能有重要影响。

常见的超声换能器材料包括压电陶瓷、石英晶体、聚合物等。

其中，压电陶瓷是最常用的材料，它具有良好的压电效应、机械强度高、耐热性能好等特点。

在选择压电陶瓷时，应考虑其压电系数、介电常数、热膨胀系数等参数，以及其晶体结构的稳定性。

此外，压电陶瓷还需要具有良好的加工性能和可靠性，以保证超声换能器的稳定性和寿命。

二、超声换能器结构的设计超声换能器的结构也是影响其性能的重要因素。

典型的超声换能器结构包括单元式、线性组合式、阵列式等。

其中，单元式是最常用的结构形式，其优点是制造简单，成本低廉。

但是，单元式结构的灵敏度和分辨率都较低，适用于低频超声检测和成像；而线性组合式和阵列式结构则能实现更高的灵敏度和分辨率，但其制造成本也相对较高。

因此，在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的结构形式。

超声换能器的电极结构也需要优化设计。

传统的电极结构采用等间距并联电极或圆环电极，但是这种结构容易产生不均匀场，从而影响超声波的辐射和接收效果。

因此，现代的超声换能器电极结构一般采用导电胶或导电纤维等材料，通过直接贴合或缝合等方式制成非均匀电极，以提高电场均匀性和效果。

三、超声换能器工艺技术的研究超声换能器的加工工艺也是影响其性能和可靠性的重要因素。

现代的加工工艺主要包括压电陶瓷片的制备、电极的制备、陶瓷和电极的粘接等步骤。

其中，压电陶瓷片的制备和后续的加工工艺都需要进行精密控制，以获得高质量的超声换能器。

一般，压电陶瓷片的制备可以采用压坯法、溶胶-凝胶法、水热法等。

实验九,多普勒效应及声速综合实验实验九多普勒效应及声速综合实验对于机械波、声波、光波和电磁波而言，当波源和观察者（或接收器）之间发生相对运动，或者波源、观察者不动而传播介质运动时，或者波源、观察者、传播介质都在运动时, 观察者接收到的波的频率和发出的波的频率不相同的现象，称为多普勒效应。

多普勒效应在核物理，天文学、工程技术，交通管理，医疗诊断等方面有十分广泛的应用。

如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达，多普勒彩色超声诊断仪等。

一．实验目的 1、掌握和理解多普勒效应 2、掌握利用多普勒效应测量声速的原理和方法二．实验原理 1、声波的多普勒效应设声源在原点，声源振动频率为 f，接收点在 x，运动和传播都在 x 方向。

对于三维情况，处理稍复杂一点，其结果相似。

声源、接收器和传播介质不动时，在 x 方向传播的声波的数学表达式为： ? xct p p00 c o s?? （1-1）① 声源运动速度为SV ，介质和接收点不动设声速为0c ，在时刻 t ,声源移动的距离为 ) (0c x t V S ? 因而声源实际的距离为 ) (0 0c x t V x xS? ? ? ∴ ) 1 /( ) (0 S SM t V x x ? ? ? （1-2）其中SM =SV /0c 为声源运动的马赫数，声源向接收点运动时SV （或SM ）为正，反之为负，将式 1-2 代入式 1-1：0001coscxtMp pS? 可见接收器接收到的频率变为原来的SM 11?, 即: SSMff??1 （1-3）② 声源、介质不动，接收器运动速度为rV ，同理可得接收器接收到的频率: fcVf M frr r) 1 ( ) 1 (0? ? ? ? （1-4）其中0cVMrr? 为接收器运动的马赫数，接收点向着声源运动时rV （或rM ）为正，反之为负。

③ 介质不动，声源运动速度为SV ，接收器运动速度为rV ，可得接收器接收到的频率: fMsMfrrs11 （1-5）④ 介质运动，设介质运动速度为mV ,得 t V x xm? ?0 根据 1-1 式可得：∴ ? ???????? ? ?0001 cos xct M p pm?? （1-6）其中0 m mc V M ? 为介质运动的马赫数。

基于多物理场耦合的夹心式压电换能器优化设计付勇;陈晔;张伟民【摘要】针对传统解析法在压电换能器设计中存在适用范围窄、计算繁琐以及结果不精确等缺点,提出了基于Comsol的换能器优化设计.为得到夹心式压电换能器的初步尺寸,笔者基于一维细棒振动和Mason等效电路理论得到了换能器的频率方程和前后振速比公式;结合实际工况选定材料后利用1stOpt对前盖板的隐函数进行求解,设计了换能器的结构参数;基于Comsol Multiphysics的压电耦合模块对设计的换能器进行动力学仿真研究,得到了换能器的特征频率、相应振型以及正反谐振频率、基频频率和最高电导值,从而获得了换能器的节面高度、品质因数以及动态电阻等参数.模拟结果得出换能器相应参数与设计值有一定误差,可利用Comsol优化模块对前后盖板尺寸进行修正.结果表明改进后的换能器频率与设计值误差为0.067％,且节面位于陶瓷晶堆中间位置.该方法可以有效提高换能器的使用性能和缩短研制周期,对压电换能器的优化设计有一定的参考意义.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2018(036)005【总页数】9页(P1-8,13)【关键词】压电换能器;一维细棒振动理论;Mason等效电路;Comsol软件;电压方程【作者】付勇;陈晔;张伟民【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京 211816【正文语种】中文【中图分类】TB552随着国家经济的高速发展，工业用水量和废水排放量都大幅增加，使得我国的水资源短缺和环境问题更加严重。

为响应国家可持续发展的号召，必须加大对废水的处理力度[1]。

高级氧化工艺是近年来新兴的一项水处理工艺，在对高浓度有机废水的处理方面有着独特的优势，超声波技术作为高级氧化工艺的重要一员，在废水处理方面有着巨大的应用潜力。

超声换能器作为整个超声系统的核心部件，其性能影响着整体的性能，对超声换能器的研制和优化成为超声领域的重要课题。

圆环形压电振子振动分析与实验研究张代治;徐安俊;田晓超【摘要】针对圆环形压电振子的弯曲振动问题,利用弹性力学、ANSYS软件仿真及实验测试等手段对其进行了理论推导、仿真模态与实验分析.得出圆环形压电振子挠度表达式及其振动形态,实验测试给出了电压特性和频率特性.最后将这三种分析方法及理论分推到仿真分析与实验测试得出的结果进行对比.结果表明,这三种方法分析圆环形压电振子得出的结果基本吻合,误差较小,为圆环形压电振子的设计优化与应用提供了理论依据和技术参考.【期刊名称】《长春大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(029)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】圆环形压电振子;弹性力学;模态分析【作者】张代治;徐安俊;田晓超【作者单位】长春大学机械与车辆工程学院,长春130022;长春大学机械与车辆工程学院,长春130022;长春大学机械与车辆工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TH237.1随着压电材料的不断发展，由其构造的压电振子成为近代以来新型驱动器之一。

压电振子性能也在不断提高和完善，具有控制精度高、响应速度快、无磁干扰等特点，变形精度精确到微米级或纳米级，常被作为高精密驱动器使用[1]。

压电振子激励振动系统工作，工作的机构有多种形态，这些状态相互耦合相互影响，直接影响着压电振子性能，因此，研究压电振子的振动形态和特性是十分必要的。

Dobruki等人利用有限元法对对称形式布置的压电振子以及周边固定支承和简支边界的压电振子进行了动态和静态分析，同时推导出了相应的数学表达式[2]。

阚君武等人利用瑞利能量法对三叠片换能器进行了弯曲振动分析，探究结构尺寸参数对换能器的影响，为压电换能器的选用与优化设计提供了理论依据和技术参考[3]。

孙晓峰等人利用弹性力学相关知识论对圆形双晶片压电振子进行了分析，推导出了周边固定支撑方式的压电振子弯曲振动方程[4]。

利用弹性力学、ANSYS软件仿真及实验测试等手段对圆环形压电振子进行了数值计算、仿真分析与实验测试，为压电振子的设计优化和应用提供理论依据和技术参考。

Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用, 2023, 11(2), 194-201 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/jsta https:///10.12677/jsta.2023.112021水声换能器研究现状与发展吴锐锋，王一博，胡童颖，崔廷放广州海洋地质调查局，广东 广州收稿日期：2023年1月3日；录用日期：2023年3月22日；发布日期：2023年3月31日摘要水声换能器在现代海洋军事与海洋资源开发中有着举足轻重的地位。

本文通过阐述水声换能器功能性材料技术、换能器、水听器技术取得的国内外领先成果和应用现状，最后对我国水声换能器的发展动态谈些认识与展望。

关键词水声换能器，水听器技术，发展动态Progress and Development of Underwater Acoustic TransducerRuifeng Wu, Yibo Wang, Tongying Hu, Tingfang CuiGuangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou GuangdongReceived: Jan. 3rd , 2023; accepted: Mar. 22nd , 2023; published: Mar. 31st , 2023AbstractUnderwater acoustic transducer plays a pivotal role in modern marine military and marine re-source development. This paper expounds the leading achievements and application status of un-derwater acoustic transducer functional material technology, transducer and hydrophone tech-nology at home and abroad, then give the development trends of underwater acoustic transducer.KeywordsUnderwater Acoustic Transducer, Hydrophone Technology, Development Trends吴锐锋等Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言当今世界各国积极发展海洋军事的战略中不难发现，探测安静型、隐形化目标，发展海洋装备从而加强海上防御能力，都是不可或缺的一部分。

压电陶瓷换能器收发系统幅频特性建模与分析验证∗胡志钢;尹钦;许姝菡【摘要】压电陶瓷超声波系统是实现物体探测的重要方法。

本文基于压电陶瓷换能器收发系统的等效电路模型，通过引入声波衰减系数建立了发射换能器激励电压与接收换能器输出电压间的关系，并求解出了该等效电路模型的传递函数。

实测数据与传递函数仿真数据对比表明，收发系统幅频特性的仿真曲线与实测曲线基本一致，验证了所给等效电路模型与传递函数的正确性。

%Piezoelectric ceramic ultrasonic system( PCUS) is an important method for object detection. According to the equivalent circuit model of PCUS,the attenuation coefficient from transmitting excitation voltage to receiving sig-nal voltage is analyzed in detail. And,transfer function of the given equivalent circuit model for PCUS is presented in this paper. The experiment shows that amplitude-frequency curve of the simulated data and measured data for transceiver system are almost the same. That proved the correction of the given equivalent circuit model and transfer function of PCUS.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】7页(P641-647)【关键词】压电陶瓷换能器;幅频特性;收发系统模型;等效电路【作者】胡志钢;尹钦;许姝菡【作者单位】宁波大学海运学院，浙江宁波315211;宁波大学海运学院，浙江宁波315211;中国计量学院材料科学与工程学院，杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TP212.1根据压电陶瓷材料的晶体结构、介电性质、弹性性质等物理特性,利用机-电类比、等效网络法等手段[1]构建的等效电路模型在现代压电陶瓷应用研究中得到广泛应用,是研究压电陶瓷特性常用分析方法,通过建立等效电路模型,可以揭示换能器工作原理并指导提高换能器的工作效率[2],早期典型代表有:Sherrit模型[3],Van Dyke 模型、Guan模型[4]与复参数模型[5]等,主要研究等效电路对压电陶瓷换能器器件的各项物理性能的描述,使之更符合实际情况。

李涵：压电自感知执行器空分复用解耦方法研究还存在一始终与激励同相位的小偏置信号。

只是针对这个小偏置信号，没有提出具体的解决方案。

韩国的ＹｏｎｇＫ．Ｈｏｎｇ等（２００４年）［３６１采用叉指电极的分割方式，设计了具有自感知执行功能的智能结构——悬臂梁，并用于振动主动控制取得了较好的效果。

智能结构采用具有高压电系数、高介电常数，高机电耦合系数的单晶驰豫铁电材料ＰＭＮ－ＰＴ或ＰＺＮ．ＰＴ。

用激光切割的方法在单晶悬臂梁的上、下两个表面分别形成了又指电极，见图１．８，指尺寸１０ｘ２ｘ０．５ｎｕｎ３，极间隙２０ｕｍ，上层作为传感电极，下层作为执行电极。

图Ｉ．８被激光切割的叉指电极模式Ｆｉｇ．１．８Ｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐａｔｃｅｒｎｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎ该文中由于传感电极和执行电极不在一个面上，故极大的抑制了静电耦合。

叉指电极的设计导致了电场梯度，极化后不仅会产生执行效果，同时允许我们探测外部或内部感应的应变。

因而，单晶传感执行器在Ａ缱Ｍｓ、ＳＰＭ、ＮＳＯＭ等领域有着潜在的应用价值。

１．４本文开展的主要工作论文工作以实验为基础，结合压电效应与机电耦合理论，在ＬａｂＶｉｅｗ软件平台下，采用压电悬臂梁振动装置，对空分复用方式的压电ＳＳＡ进行了研究，主要内容如下：（１）分析了压电陶瓷的力学和电学行为；基于压电换能器的双向换能理论，阐述了空分复用压电ＳＳＡ实现的理论依据；利用压电材料基本理论，建立了传感器和执行器集成的等效电路并进行了ＰＳｐｉｃｅ电路仿真；以双晶片结构为例，结合压电方程和悬臂粱力学特性推导了空分复用压电ＳＳＡ的结构系统方程。

这是本文研究工作的基础。

（２）以ＡＮＳＹＳ为软件平台，对研究对象悬臂梁进行了模态分析，在模态分析的基础上，采用简化模型对压电梁进行了谐响应分析，为定量测量空分复用方式压电ＳＳＡ的静电耦合奠定了基础。

大连理工大学硕士学位论文模态（也称固有扳动模态，或主模态）是系统的一种固有特性，可由系统的特征值及特征矢量二者共同来表示，他们分别从时空两个方面来刻画系统的振动特性。

实验动态法测量固体材料的杨氏模］实验11动态法测量固体材料的杨氏模量,一-讲课提纲【教学H的】1 （理解动态法测量杨氏模量的基本原理。

2（掌握动态法测量杨氏模量的基本方法，学会用动态法测量杨氏模量。

3（了解压电陶瓷换能器的功能，熟悉信号源和示波器的使用。

4（培养综合运用知识和使用常用实验仪器的能力。

【教学要求】1 （了解测量杨氏模量的主要方法，理解动态法测量杨氏模量的基本原理。

2（掌握动态法测量杨氏模量的基本方法，学会用动态法测量杨氏模量。

3（了解压电换能器的功能，学习信号源和数字存储示波器的使用。

4（理解共振频率的基本概念，掌握利用示波器观测共振频率的基本方法。

5（了解基频共振的基本概念，学会判断基频共振的基本方法。

6（理解外延法测量物理量的基本思想，掌握外延法测量基频共振频率的基本原理和实现方法。

7（学会直接测量量和间接测量量不确定度的估算，完整表示实验结果。

【实验设计思想与实现方法】1（杨氏模量杨氏模量的定义与物理意义，测量杨氏模量的理论研究和工程应用意义，测量杨氏模量的基本方法静态法和动态法。

静态法的基本原理，拉伸法测量钢材的杨氏模量，压缩法测量金属材料的杨氏模量。

静态法的优缺点，为什么要用动态法,2（动态法的基本思想动态法一一动一一振动，振动规律，数学语言描述，四阶偏微分方程，求解出杨氏模量与样品3Lm2E, 1. 6067f参数和振动频率的关系，对圆棒试样，直径与长度满足d〈〈L时，测量杨氏模量，4d需要测量直径d、长度L、质量m和振动频率f等4个物理量。

直径d、长度L、质量m的测量，分别提供了直尺、游标卡尺、千分尺和电子天平。

实验的关键是测量振动频率。

即如何使样品振动，怎样检测振动状态是基频振动，测出基频共振频率。

3（动态法的实现功率函数信号发生器作为激励振动的电源，采用压电换能器实现试样的振动和振动状态的接收，通过数字存储示波器观测共振状态，鉴定基频共振，测量共振频率。

4（实验装置与使用1【课堂讨论问题】1（掌握杨氏模量的基本概念，了解测量杨氏模量的主要方法。