超声波换能器的结构设计

超声波换能器的结构设计


作者：戴丽萍， 何涛， DAI Li-ping， HE Tao
作者单位：武汉工程大学,电气信息学院,湖北,武汉,430073
刊名：
江苏电器
英文刊名： JIANGSU ELECTRICAL APPARATUS
年，卷(期)：2008，""(4)
被引用次数：0次

参考文献(3条)
1.张治泰.邱平超声波在混凝土质量检测中的应用 2006
2.何存富固体中的超声波 2004
3.栾桂冬.张金铎.王仁乾压电换能器和换能器阵 2005
相似文献(10条)
1.期刊论文鲍芳.李科.胡荣超声波换能器特征参量电测法的研究 -江汉石油学院学报2000,22(2)
选择不同的机电模拟系统得到压电式及磁致伸缩式超声波换能器的等效电路.对换能器等效电路输入阻抗特性进行分析,并由等效电路输入阻抗的导
纳圆或阻抗圆确定换能器的谐振频率、机械品质因数和工作带宽等特征参量.

2.学位论文焦丽华声频定向超声波换能器的研究 2007
声频定向超声波换能器是一种能产生高指向性可听声音的装置。该装置向空气中发射具有一定差频信号的超声载波，在空气中传播时两列超声载波
信号发生非线性交互作用，从而自解调产生低频可听声，并以高指向方式传播给收听者。

论文提出了计算超声波换能器阵列发出的声音定向性的分析方法，此方法通过计算换能器阵列声压的大小来判断声音的方向性，同时研究了换能器
尺寸参数及其阵列的单元个数和阵列方式等对声音定向性的影响。并设计和制作了超声波换能器，实验测试表明合理的阵列方式可以获得很强的指向性
。

论文选择聚偏二氟乙烯膜(PVDF膜)作为换能器的辐射材料，研究了PVDF膜阵列的制作方法，设计和制作了应用于空气中的五套声频定向超声波换能
器，包括：采用胶粘成形的方法制作的单个阵列的圆形换能器、压制成形方法制作的凹凸柱面膜阵列换能器、胶粘成形方法制作的改进型凹凸柱面膜阵
列换能器、高温加压方法制作的凹柱面膜阵列换能器、及使用胶粘成形方法制作的改进型凹柱面膜阵列换能器。

论文分析了圆形换能器和柱面膜阵列换能器在自由延伸条件下的振动特性，分析了柱面膜阵列换能器在实际边界约束条件下的振动特性，并以此理
论为基础，分析了柱面膜阵列换能器的频率响应特性，推导了柱面膜阵列换能器的声压和指向性理论，研究了柱面膜换能器阵列个数，柱面膜半径，柱
面膜弧度等结构参数对换能器指向性能的影响。

建立超声波换能器的谐振频率测试方法，测量了圆形换能器的谐振频率，验证了压电材料PVDF膜的自由延伸谐振理论用于指导声频定向超声波换能
器谐振频率设计的可行性，测量了柱面膜阵列换能器的谐振频

率。建立声压测试方法及搭建实验平台，并测试了柱面膜阵列换能器的声压频率响应特性
及其指向特性，验证了柱面膜阵列换能器的指向性理论分析的正确性，柱面膜阵列制作工艺的可行性。

3.期刊论文李战慧.吴运新.隆志力.LI Zhanhui.WU Yunxin.LONG Zhili超声波在换能器接触界面传播的特性研究
-压电与声光2010,32(2)
在研究超声换能系统的过程中发现,系统存在非线性特性.引起超声波非线性的主要因素是换能器子结构接触界面上传递的不连续造成的.该文对超声
波在超声键合换能器中的传播为研究对象,建立了超声波在单一均质材料和两种材料接触界面传递的一维数学模型,并采用机械动力学软件进行了仿真,推
导出界面预紧力和超声波传播的关系,并试验测试了超声换能器在不同预紧力条件下,换能器换能杆末端振动速度和键合强度的变化规律.为超声键合换能
器系统的设计、安装和维护提供了可靠依据.

4.学位论文翁洁知动态匹配换能器的超声波电源控制策略 2008
超声波电源广泛应用于超声波加工、诊断、清洗等领域，其负载超声波换能器是一种将超音频的电能转变为机械振动的器件。由于超声换能器是一
种容性负载，因此换能器与发生器之间需要进行阻抗匹配才能工作在最佳状态。串联匹配能够有效滤除开关型电源输出方波存在的高次谐波成分，因此
应用较为广泛。但是环境温度或元件老化等原因会导致换能器的谐振频率发生漂移，使谐振系统失谐。传统的解决办法就是频率跟踪，但是频率跟踪只
能保证系统整体电压电流同频同相，由于工作频率改变了而匹配电感不变，此时换能器内部动态支路工作在非谐振状态，导致换能器功率损耗和发热
，致使输出能量大幅度下降甚至停振，在实际应用中受到限制。所以，在跟踪谐振点调节逆变器开关频率的同时应改变匹配电感才能使谐振系统工作在
最高效能状态。针对按固定谐振点匹配超声波换能器电感参数存在的缺点，本文应用耦合振荡法对换能器的匹配电感和耦合频率之间的关系建立数学模
型，证实了匹配电感随谐振频率变化的规律。给出利用这一模型与耦合工作频率之间的关系动态选择换能器匹配电感的方法。经过分析比较，选择了基
于磁通控制原理的可控电抗器作为匹配电感，通过改变电抗控制度调节电抗值。并给出了实现这一方案的电路原理和控制方法。最后本文以DSPTMS320F2812为核心设计出实现这一原理的超声波逆变电源。实验结果表明基于磁通控制的可控电抗器可以实现电抗值随电抗控制度线性无级可调，由于
该电抗器输出正弦波，理论上没有谐波污染。具体采

用复合控制策略，稳态时，换能器工作在DPLL锁定频率上；动态时，逐步修改匹配电抗大小，搜索
输出电流的最大值，再结合DPLL锁定该频率。配合PS-PWM可实现功率连续可调。该超声波换能系统能够有效的跟随最大电流输出频率，即使频率发生漂
移系统仍能保持工作在最佳状态，具有实际应用价值。

5.期刊论文万鹏程.WAN Peng-cheng电磁感应式超声波换能器的研究 -黑龙江水专学报2005,32(1)
根据电磁感应的基本原理,通过对振动模板的受力以及影响超声波换能器发声功率因素的分析,提出了制作大功率超声波换能器的新方法.利用该方法
制作的大功率超声波换能器具有规模化生产前景.

6.期刊论文涂晓凯.吴彦.李国锋.李枝俊.Tu Xiaokai.Wu Yan.Li Guofeng.Li Zhijun一种高频超声波换能器驱动
电路的设计 -电子测量技术2009,32(4)
本文设计了一种高频超声波驱动电路,此超声波换能器驱动电路的发射频率高达1 MHz,而目前包括集成电路发射模块和分立元件组成的驱动电路发射
频率多为40 kHz.本电路主要用于对精度要求极高,如基于超声波的精确测量、美容器等领域.此电路为超声波应用于更多的领域提供了必要的准备.

7.学位论文张北环形阵列式超声波换能器的研究 2008
近年来，为了满足社会生产和发展的需要，石油与化学工业、锅炉制造业等领域越来越广泛地使用各种无缝钢管。用于制造无缝钢管的材料中不可


避免的存在夹渣及材质疏松，使成型后的钢管表面与内部出现裂纹或折叠等缺陷，形成安全隐患。因此，对无缝钢管进行无损检测已成为其生产过程中
必不可少的环节。超声波检测技术是应用于无缝钢管无损探伤的主要方法之一。
无缝钢管的超声波检测已有比较成熟的技术，但小径薄壁管材的超声波检测技术在换能器环节仍有很多不足之处。为此，本课题研制了环形阵列式

超声波换能器，它对提高无缝管材的自动化探伤效率具有显著效果。
论文分三部分讨论了基于环形阵列式超声波换能器的无缝管材检测方法。
第一部分首先阐述超声波管材探伤的一般方法，继而分析找出其中一部分有待于改良的方面，逐步提出解决问题的特殊方法。
第二部分选定R505P斜入射柱面声透镜聚焦探头来组成换能器阵。首先分析了无缝管材水浸法探伤中，声透镜探头的工艺参数确定原则；然后从理论

及实验两方面讨论了R50探头的声场特性，明确了其功效。
第三部分首先使用R50探头对刻有人工标准伤的试块进行检测，并分析检测数据，然后根据实验结果，归纳环形阵列式超声波换能器的具体组成方式
，最后简单介绍应用了该换能器阵的探伤系统。

8.期刊论文齐海群.QI Hai-qun拉丝用超声波换能器设计方法的研究 -黑龙江工程学院学报（自然科学版）
2006,20(2)
依据1/4波长对拉丝用超声波换能器进行设计.为方便换能器的固定和拉丝模具的安装,前后两端增加等截面部分.利用ANSYS软件对换能器进行振动模
式、振动频率及变幅杆参数的综合协调.通过分析换能器的模态振动形式,最后确定设计尺寸.

9.学位论文曾华稀土大磁致伸缩换能器式环保洗衣机中关键技术的研究 2007
随着人们环保意识的增强，各种环保洗衣机受到了广大消费者的青睐。超声波洗涤是一种环保而优良的洗涤方式，它在我国的清洗领域有着广泛的
应用，有一套成熟的理论。我国超声波洗衣机的研究相对滞后，基于此，提出本论文的相关研究内容。
超声波洗衣机主要利用超声波在液体中的空化效应来洗涤衣物，它的核心部件是换能器。本论文主要针对稀土大磁致伸缩材料换能器的设计，以及
超声洗涤中的噪声防治进行研究，具体有以下几个方面；

1.换能器的设计确定换能器的一些基本参数，其中关键的是谐振频率的计算。
2.超声波清洗的机理对超声波洗衣的原理进行分析，得出超声波洗衣机的一些结构特点。
3.换能器的安装针对换能器安装中容易脱落的现象，提出了采用螺栓连接的构想，保证换能器在洗衣机的寿命范围内都不脱落。
4.空化噪声的防治分析超声波清洗产生噪声的原因，提出各种减噪、防噪的措施。
10.期刊论文郭海燕单片机在压电陶瓷超声波换能器中的应用 -漳州师范学院学报(自然科学版)2003,16(1)
共振频率是压电陶瓷超声波换能器的一个重要参数,它随负载及工作温度等因素的变化而变化,或随使用时间的增加而变化,换能器馈电电路的工作频
率是否能自动跟踪其共振频率尤其重要,应用单片机控制标称共振频率为28kHz的压电陶瓷超声波换能器馈电电路的工作频率可取得理想的效果.

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