换能器影响范文
换能器影响范文（精选7篇）
换能器影响 第1篇
关键词：换能器,辐射板,振幅,声压幅值,单色性,有限元分析
超声领域中的换能器主要实现电能和声能之间的相互转化[1]。超声换能器的应用十分广泛,已经深入到科学研究及工程技术的各个领域。例如,超声化学、超声制冷、超声中草药提取、超声检测、医学超声、超声焊接、超声清洗、超声雾化等诸多领域[2—8]。近年来,新技术及新材料领域的快速发展,为换能器的研究提供了强有力的后盾,其中超声磁致伸缩换能器,因磁致伸缩材料具有磁致伸缩系数大、抗压强度大、机械响应速度快,耐高温[1]等诸多的优越性在超声领域得到了广泛应用。辐射板作为纵振式磁致伸缩换能器的最终输出装置,它所选用的材料、尺寸、形状将直接影响着换能器的工作特性。本文通过有限元软件ATILA模拟仿真在相同激励力、边界条件下,不同材料、尺寸、形状的辐射板对磁致伸缩换能器输出特性( 频率、振动幅值、声压幅值) 的影响,并进一步进行分析、对比,为高频微型换能器辐射板的设计工作提供了有力依据。
1 磁致伸缩换能器结构
典型磁致伸缩换能器结构如图1 所示,其工作原理为: 当激励线圈通入交变电流后,线圈内产生磁场,从而导致Terfenol-D棒产生磁致伸缩轴向运动,推动辐射板产生连续振动,向单侧谐振腔内辐射声场,实现能量从电能到声能的转化[9]。
1为预应力调节螺栓,2为外壳,3为永磁铁,4为磁致伸缩棒(Terfenol-D),5为激励线圈,6为导磁体,7为碟形弹簧,8为辐射板,9为谐振腔
磁致伸缩换能器辐射板的强迫振动模型如图2所示,周边固定,中心作用简谐力(位移)。
2 辐射板振动响应分析
磁致伸缩换能器可以作为热声制冷机的驱动装置,为提高热声制冷机的工作效率,谐振腔内须获得高强的平面驻波声场。由活塞声源辐射声学基本理论可知,声辐射板必须在较高的频率下输出大的振动幅值才可输出高强的平面驻波声场; 而辐射板出现活塞振型时的振动频率与振动幅值又与辐射板所选材料、尺寸及形状有关[10]。
2. 1 不同材料对辐射板输出特性的影响
参照图2 辐射板( 未加入谐振腔) 受迫振动模型,在尺寸、形状相同的情况下,考虑材料对辐射板输出特性的影响。应用ATILA有限元软件模拟仿真换能器工作过程。即在辐射板中心表面半径为10 mm的面上施加力幅为5 MPa连续简谐力激励。扫频范围设置在5 000 ~ 20 000 Hz,步长设置为100Hz。经谐响应分析得到不同材料的辐射板模型中心点处的幅频分布曲线如图3 所示。
由分析结果可知,不同材料的辐射板均在一阶模态频率时出现活塞振型,分别提取对应数据如表1 所示。
从幅频分布曲线图3 及表1 中数据可知: 五种材料对应的辐射板均在一阶活塞振型频率值附近,受激发,输出最大位移响应。对比五种材料辐射板活塞振型时频率值可知,频率值按材料钢、硬铝、铜、灰铸铁、黄铜依次减小。其中钢和硬铝材料对应的辐射板频率值相近,在13 900 Hz左右,黄铜对应辐射板频率值9 050. 2 Hz最小; 对比五种材料的辐射板在出现活塞振型时,辐射端面中心点处输出的位移幅值可知,输出位移幅值按材料为硬铝、铜、灰铸铁、黄铜、钢依次减小。其中硬铝质材料对应得辐射板输出位移幅值4. 57 mm最大,是其它材料输出位移幅值的4. 48 ~ 24. 8 倍。通过比较分析可知,硬铝材料辐射板较其他材料优越,可以实现高频率大振幅的活塞振动。
2. 2 不同尺寸对辐射板输出特性的影响
辐射板是热声制冷机的声源装置,与谐振腔直接连接。其振动特性,与所接谐振腔材料、尺寸及边界约束条件有直接关系。所以,研究带谐振腔的辐射板振动问题,更有实际价值与意义。
考虑辐射板尺寸对换能器输出性能的影响。首先建立H = 0. 01 m,辐射板直径D从0. 08 ~ 0. 1 的五个辐射板模型; 其次建立D = 0. 08 m,厚度H从0. 012 ~ 0. 2 的五个辐射板模型。应用有限元软件ATILA,对加入相同长度的谐振腔体的辐射板进行谐响应分析。计算结果如图4( a) 、( b) 所示。
由谐响应分析结果可知,不同尺寸的辐射板,都在活塞振型频率附近,输出最大振动幅值,预示着,此振型频率下,辐射板辐射声压值将最大。由图4( a) 幅频分布曲线可知,当辐射板厚度H相等时,随着辐射板直径D的增加,辐射板出现活塞振型时,辐射板中心点的振动幅值明显增加。由图4( b)幅频分布曲线可知,当辐射板直径D相等时,随着辐射板厚度地增加,辐射板出现活塞振型时的频率值逐渐增加。综合以上分析结果可知,换能器辐射板可根据工作条件的不同,选择不同直径D与厚度H值,以满足实际工作需求。
2. 3 不同端面形状对辐射板输出特性的影响
2. 3. 1 不同端面形状辐射板振动的幅频特性
为研究辐射板形状对声压分布的影响,在辐射板材料、尺寸相同的情况下,选用四种不同端面形状的辐射板进行分析。如图5 所示,圆板直径80 mm,厚度H = 10 mm( 四种模型的最大厚度相同) ,h = 5mm。材料选用硬铝合金,密度 ρ = 2 790 kg / m3、泊松比0. 34、杨氏模量E = 71. 5 GPa,在辐射板中心表面半径为10 mm的圆面上施加力幅为1 570 的简谐力激励。对于图2 所示圆板受简谐力激励的强迫振动响应问题,在已知材料、边界条件和形状时,运用板壳振动理论求解析解在理论上已没有问题,但求解过程复杂,为了获得辐射板在相同力激励下可产生的最强平面波声场,需要找到其产生最大活塞振幅的激励频率。
在ATILA软件中建立四种具有不同辐射端面形状的谐振腔有限元模型如图6 所示; 在辐射板中心表面半径为10 mm的面上施加力幅为1 570 N的简谐力激励,对谐振腔底端边缘处施加固定约束;Problem Data选-2D HARMONIC分析; Interval Date中选择频率范围1 000 ~ 8 000 Hz,取100 Hz为步长。
经分析得到腔体1 ~ 4 辐射板中心点处的幅频特性曲线如图7 所示。
经过动画观察发现: 凹球面辐射板、斜坡辐射板、凸球面辐射板在六阶模态、平圆辐射板在七阶模态时,均出现活塞振型。提取对应数据如表2 所示。
从表2 可以看出: 四种辐射板出现活塞振型时频率值按平圆板、斜坡圆板、凹球面板、凸球面板依次减小。前三种辐射板频率值相近均在6 500 Hz左右,凸球面板频率值为5 057. 97 Hz最小; 四种辐射板圆心处变形量按凹球面板,凸球面板,斜坡圆板、平圆板依次减小,其中凹球面板最大变形量为5. 049 mm,是其他辐射板的2. 4 ~ 5. 58 倍。以上分析结果预示着: 在腔体1 ~ 4 内加入气体介质后,当不同端面形状的辐射板与腔内气体共振时( 此时辐射板在活塞振型下输出最大位移幅值) ,腔体2 内所产生声压幅值将最大; 同时说明,在工作频率一定时,存在最佳的辐射板端面形状。
2. 3. 2 不同端面形状辐射板对柱形封闭腔体内声场分布的影响
对于辐射板前端封闭谐振腔体内声场分布的研究,由于影响因素较多,求解析解比较困难,用有限元数值模拟方法可有效解决这一问题。在ATILA软件中,将谐振腔体中加入空气介质,其他设置条件同空腔分析过程。再通过ATILA声学分析软件进行计算。
通过谐响应分析得到: 腔体1 ~ 4 内辐射板出现活塞振型时,腔内声压分布云图如图8( a) ~ ( d) 所示; 高频( 7 000 Hz) 情况下,腔内声压分布云图如图8( e) 所示。
由计算及动画显示结果可知: 辐射板与腔内气体共振时( 此时辐射板在活塞振型下输出最大位移幅值) ,整个谐振腔的振动频率值、辐射端面中心点处振动幅值及腔内声压幅值如表3 所示。
以上结果表明: 谐振腔内辐射板均在6 阶( 平圆辐射板在7 阶) 频率值附近出现活塞振型,此时辐射板与腔内气体处于谐振状态,不同谐振腔体内均交替出现红、蓝色带状区域,且同一截面声压幅值相等,说明不同辐射端面形状的谐振腔体内均可产生驻波声场。不同形状辐射板对谐振腔体内声场分布及压力变化有显著影响。经过对比可知四组腔体产生的声压幅值按腔体2、腔体4、腔体1、腔体3 依次减小。其中凹球面板对应的腔体2 产生的声压幅值最大,是其他腔体的1. 98 ~ 2. 5 倍。
由图8( e) 及图6 分析结果可知: 当频率增加到7 000 Hz时,四种谐振腔均维持轴向振动( 辐射板振动模态处于辐射板与腔内气体共振模态与下阶振动模态之间) ,此时辐射板振动幅值较共振时减小,谐振腔体1 ~ 4 内声压幅值也随之减小。与此同时,谐振腔体内驻波特征均出现不同程度衰减,在同一截面处代表高低声压的红蓝色带状区域界限不明显,表明声波单色性随平面波振动频率值增加而降低。
观察动画及8( a) ~ ( e) 驻波波形发现,靠近辐射端的驻波波形随着辐射端面形状发生不同形状弯曲变化。平圆辐射板对应驻波波形平直无弯曲。凹球面、斜坡、凸球面辐射圆板均使得靠近辐射端的驻波发生了类似辐射板形状的弯曲变化,而在远离辐射板靠近谐振腔平圆反射端面的驻波波形没有发生明显变化。结合圣维南原理及以上仿真结果可知,辐射板形状只对辐射板附近的驻波波形有显著影响,对较远的驻波波形影响不大。
3 结论
基于换能器的工作原理,通过有限元分析方法,研究分析活塞式振动辐射板的材料、尺寸、形状对换能器输出性能的影响,通过研究分析得到以下结论。
( 1) 在相同尺寸、激励条件、边界条件的情况下,各种辐射板均出现活塞阵型时,硬铝材料辐射板此时的振动频率较高、输出振动幅值最大,是理想的辐射板材料。
( 2) 不同尺寸的辐射板,都在六阶振动模态( 活塞振型) 频率附近,输出最大振动幅值,增加辐射板直径D可有效增加辐射板振动幅值,预示着,增加辐射板直径可增加辐射板辐射声压值; 增加辐射板厚度H可有效增加辐射板出现活塞振型的频率值。
( 3) 不同形状辐射板对应的谐振腔体,在辐射板出现活塞振型时,腔体1 ~ 3 频率值相近,腔体4频率值最小; 凹球面辐射板出现活塞振型时振幅最大。此结果表明,相同力激励条件下,辐射端面为凹球面的谐振腔内比较容易产生高声强平面驻波,同时也预示了在给定工作频率下,存在最佳的辐射板端面形状。
( 4) 相同激励条件下,不同形状辐射板对应的腔体内均可产生驻波声场。且辐射板端面形状对谐振腔内声场分布有影响,凹球面辐射板对应的端腔体2 内声压值幅值最大,是其他腔体内声压幅值的1. 86 ~ 5. 8 倍。
( 5) 增加激励频率发现: 辐射板振动幅值、谐振腔体内声压幅值随频率增加而减小,驻波特征、声波单色性随之降低。辐射板形状只对辐射板附近的驻波形状有显著影响,对较远的驻波波形的影响不大。
以上结论为高频微型换能器辐射板的设计工作提供了参考。
参考文献
[1]田华.新型超声换能器与辐射器的研究.西安:陕西师范大学,2013Tian Hua.New type of ultrasonic transducer and radiator research.Xi'an:Shaanxi Normal University,2013
[2] Mason P.Physical acoustics.Vol 1 Part A.New York,London:Academic Press,1964
[3] Liu S Y,Composite ultrasonic transducers.Xi'an:Shaanxi Normal University Press,2003
[4] 袁易全,陈思忠,等.近代超声原理及应用.南京:南京大学出版社,1996Yuan Yiquan,Chen Sizhong,et al.The Principle and application of modern ultrasonic.Nanjing:Nanjing University Press,1996
[5] 程存弟.超声技术-功率超声及应用.西安:陕西师范大学出版社,1992Cheng Cundi.Ultrasonic technology-power ultrasound and application.Xi'an:Shaanxi Normal University Press,1992
[6] 尚思远.检测声学原理及应用.西安:西北大学出版社,1996Shang Siyuan.The test principle and application of acoustic.Xi'an:Northwestern University Press,1996
[7] 徐爱群.超磁致伸缩采油换能器工作机理及应用基础研究.杭州:浙江大学,2007Xu Aiqun.Oil giant magnetostrictive transducer working mechanism and applied basic research.Hangzhou:Zhejiang University,2007
[8] 袁娅.稀土超磁致伸缩换能器结构设计及性能优化.湘潭:湘潭大学,2013Yuan Ya.Rare earth giant magnetostrictive transducer structure design and performance optimization.Xiangtan:Xiangtan University,2013
[9] 汪建新,刘曜宁,张玲聪,等.磁致伸缩换能器辐射板位移放大机构设计.机械设计与制造,2015;03:201—203,207Wang Jianxin,Liu Yaoning,Zhang Lingcong,et al.Magnetostrictive transducer radiant ppanel displacement amplification mmechanism design.Journal of Mechanical Design and Manufacturing,2015;03:201 —203,207
四立柱压电换能器装配机研制 第2篇
压电换能器是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动的部件。由螺母、反射罩、压电陶瓷片、铜片、绝缘套、螺栓、声头组成。具有压电效应和逆压电效应, 是所有功率超声的核心部件[1]。压电换能器装配时, 压电陶瓷与金属块接触良好与否, 预紧力的大小, 对谐振频率和阻抗的影响很大[2,3]。传统的装配方法是通过扳手或者扭矩扳手进行装配, 这种装配方法导致压电换能器电声转换效率低、易发热、陶瓷片易破碎、压电换能器易松开、压电换能器和超声波发生器难以匹配等问题[4,5,6]。而且, 传统的装配方式存在装配精度低、速度慢、人工劳动强度大等缺点。
因此, 为了解决传统装配方式中存在的问题, 提高压电换能器的质量、稳定性和可靠性, 提高压电换能器装配效率, 本研究设计一种压电换能器装配机, 通过Solidworks软件对压电换能器装配机进行三维建模, 并对装配15 k Hz和20 k Hz压电换能器两种工况进行有限元分析, 得到了两种工况下压电换能器装配机整体结构的应力值和受力云图, 并使用装配机装配压电换能器。由于新装配的压电换能器性能不稳定, 本研究每天使用阻抗分析仪和万用表对新装配好的压电换能器进行测量, 以此得到压电换能器性能参数变化曲线。
1 装配机结构和工作原理
1.1 压电换能器装配机工作原理
由于压电换能器的压电效应, 压电换能器在拧紧过程主要是利用电压传感器采集压电换能器两端铜片上的电压值, 测得电压值后就可以准确判断压电换能器的性能, 对电压传感器采集压电换能器铜片两端由于压电效应产生的电压的大小, 来确定拧紧时需要扭矩的大小。其中, 电压与扭矩关系的表达式为:
式中:Q—陶瓷片产生的电荷量, T—拧紧扭矩, 压电常数, d—螺纹公称直径, C—电容值。
最后, 利用PLC控制器对电压值进行对比, 当电压值达到设定值时, PLC控制电机停止转动, 完成对压电换能器的装配。
控制系统流程如图1所示。
1.2 压电换能器装配机结构
压电换能器装配机由电机、三爪卡盘、套筒扳手、机械传动结构、数字信号采集处理系统、控制器等部分组成。装配机工作主要由夹紧、传动、拧紧三个步骤组成。首先, 三爪卡盘夹紧压电换能器, 电机带动丝杠, 使压板向下压紧压电换能器。最后, 另一电机通过减速机, 带动套筒扳手对压电换能器拧紧。装配机结构如图2、图3所示。
1—步进电机;2—减速机;3—步进电机;4—轴承;5—套筒扳手;6—丝杠;7—丝杠副;8—压板;9—三爪卡盘;10—机座;11—电机;12—立柱;13—定位压板;14—电机座;15—轴承端盖
2 压电换能器装配机有限元模型
2.1 有限元模型建立
装配机的整体力学性能对装配质量、疲劳寿命、工作频次及工作能耗等有决定性的影响[7]。本研究对装配机整体进行分析。
压电换能器装配机主要钢结构是采用45钢[8], 其主要参数性能如表1所示[9]。
根据简化原则, 本研究忽略小特征、小尺寸的孔和受力影响较小的零件, 结合表1参数建立了压电换能器装配机有限元模型。
2.2 压电换能器装配机受力分析
压电换能器装配机在拧紧压电换能器的过程中, 电机转动, 套筒扳手受到拧紧力矩T的作用。螺纹连接的拧紧力矩T等于克服螺纹相对转动的阻力矩T1和螺纹支撑面上的摩擦阻力矩T2之和, 即:
式中:Fa—轴向力, 对于不承受轴向工作载荷的螺纹;Fa—预应力;d2—螺纹中径;fc—螺纹与被连接件支承面之间的摩擦系数。本研究中取0.15, F'取0.15, Fc取0.15[10]。
式中:支撑面摩擦半径, 螺母支承面的外径, 螺栓孔直径。因此, 式 (2) 可化简为:
式中:d—螺纹公称直径。
此外, 压电陶瓷片的预应力为3000 N/cm2~3 500 N/cm2。装配20 k Hz的压电换能器时, 由于压电换能器使用M16螺栓, 取压电陶瓷片预应力为3 500 N/cm2, 得:
装配15 k Hz的压电换能器时, 由于压电换能器使用M22的螺栓, 取压电陶瓷片预应力为3 500 N/cm2, 得:
同时, 在拧紧过程中, 压电换能器使套筒扳手产生的扭矩分别为:T3=-190 N·m和T4=-385 N·m。
此外, 由于压电效应, 压电换能器反作用于套筒扳手垂直向上的力分别为:和。
2.3 网格划分
首先, 应进行有限元的前处理工作, 即网格划分。网格划分对后期的计算过程将产生较大的影响。本研究对装配机进行单元网格划分后, 得到节点数10 415, 单元数5 324。
2.4 结果读取
在装配15 k Hz和20 k Hz压电换能器两种工况下, 装配机整体结构的应力云如图4所示。
2.5 装配机有限元计算结果分析
查阅材料参数手册[11], 可知45钢的屈服应力值为355MPa。根据屈服应力规定的安全因素, 通常1.5≤ns≤2.2, 取, 通过计算得到许用应力。
从上面两种工作状态下的应力云图可以看出, 最大应力分别为126.05 MPa和184.87 MPa, 均小于45钢的许用应力, 满足压电换能器装配机强度设计的要求。
3 实验及结果分析
3.1 实验准备
本研究自行加工压电陶瓷片、前后金属盖板、预应力螺栓、金属电极片以及预应力螺栓绝缘套管等材料, 零件图如图5所示。
本研究将压电换能器预装配后, 通过压电换能器装配机装配压电换能器, 装配好的压电换能器如图6所示。
实际装配试验结果表明, 使用压电换能器装配机装配一个压电换能器的时间为1'30″, 与传统的压电换能器装配方法相比, 装配效率得到了极大的提升, 装配时间仅仅是传统装配方法的1/10。
3.2 实验测量及分析
压电换能器的谐振频率、阻抗、静态电容是衡量压电换能器性能的主要参数, 但实验发现, 新装配的压电换能器在装配完成后一段时间内谐振频率、阻抗、静态电容不断地变化。因此, 本研究在用压电换能器装配机装配压电换能器之后, 再使用TH2818阻抗分析仪测量压电换能器谐振频率和阻抗, 用万用表测量静态电容, 获得的压电换能器的谐振频率、阻抗和静态电容如表2所示。
装配结果表明, 新装配的压电换能器频率、阻抗和静态电容满足压电换能器性能要求。
本研究将新装配好的压电换能器使用阻抗分析仪和万用表每天定时测量, 得到谐振频率、阻抗和电容随时间变化的曲线如图7所示。
由图7可以看出, 随着时间的推移, 两个新装配的压电换能器谐振频率不断地升高, 阻抗总体呈下降趋势, 静态电容在在装配好的第2天突然升高和第3天下降后, 也逐步升高。最后, 压电换能器谐振频率、阻抗和静态电容在第7天之后趋于稳定。因此, 可以得出新装配的压电换能器在装配完后的一周内性能仍有一定的提升。
4 结束语
(1) 装配机应力云图能够客观反映装配机的受力情况, 并且应力控制在合理的范围内, 满足了设计工作的需要。本研究通过PLC控制扭矩的大小, 实现了换能器的装配自动化。
(2) 与传统的压电换能器装配方法相比, 使用本装配机装配效率得到了极大的提升, 使用装配机装配, 装配时间仅仅是传统装配方法的1/10。同时, 装配质量也有很大的提升。
(3) 新装配好的压电换能器随着时间的推移, 谐振频率不断升高, 阻抗不断下降, 静态电容除第2天和第3天变化明显外, 逐步上升, 但上升幅度不大。并且, 谐振频率、阻抗和静态电容都在7天之后趋于稳定, 第10天时, 谐振频率已经从19.57 k Hz和19.43 k Hz分别升至19.711 k Hz和19.567 k Hz。阻抗从5.413Ω和11.713Ω分别下降至3.671Ω和7.835Ω。静态电容从11.34 n F和10.75 n F分别上升至11.69 n F和10.77 n F。新装配的压电换能器性能得到了提升。
本文引用格式:
张云电, 姚晓峰.四立柱压电换能器装配机研制[J].机电工程, 2015, 32 (7) :925-928.
ZHANG Yun-dian, YAO Xiao-feng.Developing of four pillars piezoelectric transducer assembly machine[J].Journal of Mechanical&Electrical Engineering, 2015, 32 (7) :925-928.《机电工程》杂志:http://www.meem.com.cn
摘要：针对传统压电换能器装配方法中存在的压电换能器电声转换效率低、易发热、陶瓷片易破碎、压电换能器易松开、压电换能器和超声波发生器难以匹配等问题, 为实现压电换能器的自动装配, 提高装配精度, 对压电换能器装配方式进行了研究。通过采用有限元的方法, 设计了一种四立柱压电换能器的装配机。论述了该装配机的基本组成部分, 并对机械结构进行了力学分析, 介绍了电机的控制方法和控制系统的流程。利用该装配机进行了装配, 并对新装配压电换能器进行了每天测量。研究结果表明, 使用压电换能器的装配机装配效率得到了极大的提升, 压电换能器的质量、稳定性和可靠性得到了提高。新装配的压电换能器在装配完后性能仍有一定的提升, 在7天之后趋于稳定。
关键词：换能器装配,应力分析,压电换能器
参考文献
[1]张云电.夹心式压电换能器及其应用[M].北京:科学出版社, 2006.
[2]ARNOLD F J, MUHLEN S S.The resonance frequencies on mechanically pre-stressed ultrasonic piezotransducers[J].Ultrasonics, 2001, 39 (1) :1-5.
[3]ARNOLD F J, MUHLEN S S.The mechanical pre-stressing in ultrasonic piezotransducers[J].Ultrasonics, 2001, 39 (1) :7-11.
[4]张云电, 付群利.夹心式压电换能器装配质量判别方法与实现[J].机电工程, 2009, 26 (1) :32-34.
[5]张云电, 付群利.压电换能器装配机自动控制系统研究[J].杭州电子科技大学学报, 2008, 37 (10) :28-30.
[6]王毅, 陆明, 丁士轩.基于压电式压力传感器的冲击波载荷测试系统设计[J].机械, 2014 (12) :68-72.
[7]施劲宇.基于接触有限元的预紧组合机架力能分析[J].机电工程, 2014, 31 (3) :354-357.
[8]郑景润.基于包装机械的超声焊接技术研究及应用[J].包装与食品机械, 2014 (5) :53-57.
[9]杨可桢, 程光蕴, 李仲生.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社, 2006.
[10]吴宗泽, 罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2006.
高频无铅压电超声换能器研究进展 第3篇
超声是指频率大于2 k Hz的声波, 现在被广泛应用在工业、医学和军事等各个领域。在医学成像领域, 超声成像技术已成为临床诊断常用的成像方法之一, 对比于X射线成像 (X-Ray) 、计算机断层成像 (CT, Computed Tomography) 和核磁共振成像 (MRI, Magnetic Resonance Imaging) 等影像技术, 超声成像具有不使用对人体有损伤的电磁辐射、检测方便、实时性好、易操作和价格低廉等优点。近年来, 高频超声 (>10 MHz) 换能器由于其具有高分辨率被广泛应用在眼科超声、血管内超声和皮肤超声等医学成像领域[1,2]。
由于铅 (Pb) 基压电材料, 例如PZT、PMN-PT和PZN-PT等体系, 具有优异的压电性能, 因此目前用于超声换能器的压电材料主要为铅基压电材料。但是铅是毒性最大、累积性极强的重金属之一, 传统的铅基压电材料, 其主要成分氧化铅占原材料总量的60%以上, 从材料的制备、使用到最终废弃后的处理过程都会对人类及生态环境带来铅污染, 危害人类健康。因此使用环境友好的无铅压电材料代替毒性的铅基压电材料制备超声换能器已经成为了学术界和产业界研究的热点。
1.超声成像的基本原理
超声换能器, 又称超声探头, 在医学超声成像系统中完成电能和声能的相互转换作用, 利用超声换能器发出的超声波进入人体组织, 并接收从人体不同组织分界面处由于声阻抗的不同而形成的反射回声, 通过图像处理技术来形成影像, 然后就可以根据获得图像的特征来确定组织的状态。
超声换能器由压电振子、背材、匹配层、金属外壳、电绝缘材料和导线组成。图1 为压电超声换能器的结构示意图图。压电振子 (两表面涂覆电极的压电材料) :超声换能器的核心组成部分, 可以发射和接收超声波。背材 (吸声材料) :用于衰减和吸收压电材料背向辐射的超声波, 可以减少声波在压电材料来回反射次数和振动时间。匹配层:用于增加超声换能器正向发射的超声能量。金属外壳:保护和封装超声换能器, 还可以起到电屏蔽的作用。电绝缘材料:在压电材料和金属外壳间起电绝缘作用。导线:超声激励电源和超声换能器之间的连线, 起传输电信号的作用。
超声换能器作为超声成像系统的核心组成部分, 它的空间分辨率和插入损耗 (信号灵敏度) 直接影响超声成像的质量, 超声换能器的空间分辨率越好, 图像越细腻;超声换能器插入损耗越小, 超声换能器有更好的穿透力, 图像对比度也越好。
超声换能器的轴向分辨率 (Raxial) 和横向分辨率 (Rlateral) 分别表示如下[3]:
式中f为超声换能器的工作频率, c为传播介质中的声速, F为F-Number, 其值等于超声换能器焦距与直径的比值, BW为超声换能器的-6 d B带宽。
由公式 (1) 可以发现超声换能器的频率越高, -6 d B带宽越大, 其轴向分辨率就越高;由公式 (2) 可以发现超声换能器的横向分辨率和超声换能器工作频率成反比, 工作频率越高, 横向分辨率越高。因此为了提高超声换能器的空间分辨率, 应提高超声换能器的工作频率及-6 d B带宽。
超声换能器的插入损耗 (insertion loss, IL) 指超声的发射设备与接收设备之间, 插入超声换能器后产生的信号损耗。插入损耗是表征超声换能器灵敏度的参数, 插入损耗可通过计算回波响应和发射波响应比值得到, 通过以d B作为单位来表示。计算超声换能器插入损耗的的计算公式如下[4]:
式中VR为接收回波的峰- 峰值幅度, VT为发射声波的峰- 峰值幅度。
提高超声换能器的信号灵敏度可以通过提高压电材料的机电耦合系数及优化超声换能器的结构设计实现;但是超声在介质中传播存在衰减现象, 其值取决于超声的频率和传播的介质的特性 (不同介质具有不同的声波衰减系数) , 声波在介质中的衰减可以表示如下:
式中A为衰减值, α 为声波衰减系数, l为声波在介质中的传播距离, f为声波的频率。
由式 (1~4) 可以发现, 超声波的频率越高, 空间分辨率就越好, 但是衰减也越强, 穿透力越差;反之, 如果超声频率越低, 空间分辨率就越差, 但是衰减也越弱, 穿透力越强。因此, 设计换能器时要根据实际情况在穿透深度和分辨率间做个折衷。通常用频率<10 MHz的超声来对相对大尺寸的生物组织例如肾脏、肝脏和孕妇腹中胎儿进行成像, 使用>10 MHz的超声对需要高空间分辨率而对穿透深度要求不高的生物组织成像, 例如:皮肤成像、眼科成像和血管内超声成像等。
2.高频无铅压电超声换能器研究现状
压电材料的性能直接影响超声换能器的性能, 用于超声换能器的压电材料主要分为压电陶瓷、压电厚膜、压电单晶、压电高分子聚合物, 以及压电复合材料。以下的内容对各种压电材料制作无铅超声换能器的性能进行了总结, 并与铅基压电超声换能器的性能做比较。
(1) 压电陶瓷
图2. KNLNT超声换能器[7]的（a）脉冲回波与频谱图形，（b）与线靶材成像图形
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料, 目前是医学超声换能器的主要压电材料, 它具有电声转换效率高、抗酸碱、价格低廉、制备工艺成熟、易于加工并且可以制备成多种形状等多个优点, 通过掺杂、取代和改变材料配方等方法, 可以对压电陶瓷的性能参数进行调节以满足各种要求。然而, 压电陶瓷也有其缺点, 如抗拉强度低、具有脆性、压电性能受温度影响大和压电性能会随时间而降低, 并且目前的压电陶瓷都具有很高的声阻抗 (20-30 MRayls) , 与人体组织和水的声阻抗 (~1.5 MRayls) 相差较大, 因此必须制备匹配层来克服声阻抗不匹配的问题。
目前铅基陶瓷 (例如PZT, PT) 以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料, 也是目前国内外生产厂商制备压电超声换能器的最主要的功能材料。南加州大学熊克平研究组报道了PZT陶瓷超声换能器阵列[5]和PT陶瓷超声换能器[6]。而在无铅陶瓷换能器的研究方面, 南加州大学熊克平教授研究组报道了KNLNT陶瓷超声换能器[7];新泽西州立大学新布朗斯威克校的A.Safari教授研究组报道了BNT-BKT-BLT陶瓷超声换能器[8];香港理工大学陈王丽华教授研究组报道了BSZT[9]陶瓷超声换能器;西安交通大学任巍教授研究组首次报道了应用于血管内超声成像的BZT-50BCT陶瓷超声换能器[10], 这个结果对于无铅超声换能器在血管内超声成像中的实际应用具有重要意义。
(2) 压电单晶
和压电陶瓷材料比较, 以铌酸锂 (Li Nb O3) 为典型代表的压电单晶由于其固有的良好线性与稳定性, 非常适合制备标准换能器。这类材料具有和铅基PZT陶瓷相当的机电耦合系数 (0.49) , 并且具有夹持介电常数低 (39) 和纵向声速高 (7340m/s) 等特点, 适合制备高灵敏度大尺度单元换能器, 特别是高频换能器。其不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
近年来, 对弛豫型铁电压电单晶例如PMN-PT和PZN-PT的研究非常引人关注, 这类材料具有高压电常数 (d33>2000) 、大机电耦合系数 (k33>0.9) 和高介电常数等特性, 尤其是压电性能远大于目前广泛使用的PZT陶瓷, 使得它可以制备比PZT压电陶瓷器件性能更为优良的换能器件, 如声纳、叠层式驱动、超声成像等, 但不足之处是成本偏高。
香港理工大学陈王丽华教授研究组报道了无铅单晶BNT-BT超声换能器[11];武汉大学王高峰教授研究组报道了铅基单晶PIN-PMN-PT超声换能器[12];南加州大学熊克平教授研究组报道了铅基单晶PMN-PT超声换能器[13]、PZN-7%PT超声换能器[14]和无铅单晶Li Nb O3超声换能器[15]。
(3) 压电高分子有机聚合物
偏聚氟乙烯 (PVDF) 为代表的压电聚合物由于具有结构简单、成本低、高柔韧性和声阻抗低 (4-5 MRayls) 等优点现在已经用于许多成像应用, 由于其声阻抗低接近水和人体组织, 并且其接收常数g33很大 (比PZT陶瓷大十几倍) , 因此不需要制备匹配层, 并且适合制备宽带接收型换能器件。其缺点是机电耦合系数低 (kt<0.3) , 并且由于其较低的发射常数, 因此不适合制备发射型换能器。
南加州大学熊克平教授研究报道了使用P (VDF-Tr FE) 膜制备的高频环状阵列超声换能器[16];新泽西州立大学新布朗斯威克校的A.Safari教授研究组报道了使用PVDF膜制备的单元超声换能器[17];宾夕法尼亚州立大学K. Snook教授研究组报道了使用P (VDF-Tr FE) 膜制备的单元超声换能器[18];韩国东国大学的J.S. Jeong报道了使用P (VDF-Tr FE) 膜制备的单元超声换能器[19]。
图4. Li Nb O3单晶超声换能器 [15] (45MHz) 脉冲回波 (a) 与频谱图形 (b) ; (c) 和 (d) 分别为使用40 MHz与50 MHz的Li Nb O3单晶超声换能器的眼科成像图形
(4) 压电厚膜
由于压电陶瓷或单晶的尺寸较大, 制备高频超声换能器所需的厚度加工难度大, 因此限制了其在高频超声方面应用, 因此由块体压电材料转向厚膜压电材料已经成为近年来压电材料领域研究的一个热点。压电厚膜是指厚度在数微米至数十微米的压电膜, 随着沉积技术、微细加工技术 (MEMS) 的发展, 压电薄膜制备技术日趋成熟, 与块体材料相比, 它具有许多优点:易于微型化;由于声阻抗较低, 因此易于和人体组织进行声阻抗匹配;并且由于厚度薄, 因此适合制备高频超声换能器;利用MEMS技术易于将超声换能器与其驱动电路、控制电路集成在一起, 因此在高频、微型医学超声换能器领域得到了广泛应用。
加拿大皇后大学M. Lukacs等人报道了铅基PZT厚膜超声换能器[20];南加州大学熊克平教授研究组报道了铅基PMN-PT厚膜[21]、PMN-PT-PZT复合膜超声换能器[22]和无铅Zn O厚膜[23]、KNN-LSO厚膜[24]。南加州大学与西安交通大学任巍教授研究组合作研究, 报道了KNN/BNT复合膜超声换能器[25]和BNT膜超声换能器[26]。
(5) 压电复合材料
压电复合材料是有压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式, 一定的体积比例和一定的空间几何分布组合在一起而构成一种具有压电效应的复合材料。压电复合材料性能主要由构成该材料各组分的性能和各相间的连通方式有关。0-3 复合材料是两相复合材料中最简单的一种, 它是陶瓷颗粒均匀镶嵌在三维互联的聚合物基体中构成的。1-3 复合材料是一维连通的陶瓷相平行排列于三维连通的聚合物基体构成的, 1-3复合材料被认为是最具有潜力的压电复合材料, 由于其具有较低的声阻抗、较高的机电耦合系数、介电常数低和柔韧性好等优点广泛用于超声成像领域。由1-3 复合材料制备的超声换能器具有带宽大、分辨率高、灵敏度高、易于制作成特殊形状 (例如聚焦超声换能器) 和易于与水和人体组织声阻抗匹配等优点。
清华大学李敬锋教授研究组报道了NKLNT陶瓷/ 环氧树脂1-3 复合物超声换能器[27];香港理工大学陈王丽华教授研究组报道了无铅BNBT陶瓷纤维/ 环氧树脂1-3 复合物超声换能器[28]南加州大学熊克平教授研究组报道了Li Nb O3单晶/环氧树脂1-3 复合物超声换能器[29];武汉大学王高峰教授研究组报道了铅基PMN-PT单晶/ 环氧树脂1-3 复合物超声换能器[30]。
3.结论
本文回顾了目前国内外高频无铅压电超声换能器的研究进展, 虽然目前无铅压电超声换能器的性能总体上与铅基压电超声换能器相比还有差距, 但随着人们对环境保护认识的提高, 随着无铅压电材料领域及超声成像领域的不断发展和进步, 相信无铅压电超声换能器将来有希望在超声成像领域代替铅基压电超声换能器。
摘要：高频无铅压电超声换能器已经成为当前超声医学领域及压电材料领域研究的热点。本文根据近期国内外报道的有关高频无铅压电超声换能器的进展, 对无铅压电陶瓷超声换能器、无铅压电单晶超声换能器、无铅压电高分子聚合物超声换能器、无铅压电薄膜超声换能器及无铅压电复合物超声换能器的性能进行了总结, 并与报道的高频铅基压电超声换能器的性能做比较, 以期对高频无铅压电超声换能器的研究和应用提供参考。
超声换能器的设计与动态特性仿真 第4篇
关键词：超声波换能器,有限元分析,模态分析
1 绪论
超声键合技术以其简单的制作工艺、高效率的运行水准和无铅绿色的优点, 在近几年的发展中逐渐成为集成电路第一级封装的主流技术。这项技术是通过超声能量、压力能量及热量多物理能场的相互耦合, 促成芯片凸点与基板的瞬态微互连。
超声能传播是一个能量产生、转换、耗散与吸收的过程。其传播效率、系统振动模态以及封装器件的质量主要取决于超声换能系统的研发水平和动力学特性。因此, 研究与分析超声换能系统的动态特性, 有助于准确把握换能系统的功能特性, 并且能够为进一步优化系统结构设计提供重要的参考依据。
2 超声换能系统的系统设计
超声波换能系统主要由超声发生器、压电换能器、变幅杆和劈刀四个部分组成, 其结构设计详见图1。
超声波换能系统各部分功能特点如下文所述。
超声发生器一般由波形发生模块、功放模块、阻抗匹配模块、以及锁相环模块组成, 其主要功能是将工频电信号转换成压电换能器所需的高频电信号。
压电换能器主要由若干压电陶瓷片、前盖板、后盖板和预紧螺栓构成。高频电信号通过压电换能器的压电效应被转换成同频率的机械振动。由此可见, 压电换能器就是一个把电能量转换层超声波能量的转换器。
变幅杆是将超声发生器能量转换为键合工具的振动。在运行期间, 加载超声后的变幅杆可能发生俯仰振动、轴向振动以及水平振动, 换能杆末端因此也将产生浮躁的振动。为了掌握更为全面的超声波换能系统的设计理念及功能特点, 需要对变幅杆实际振动情况加强研究。
3 超声波换能系统的结构设计与有限元仿真
3.1 超声波换能系统的结构设计
法兰型超声换能器尺寸参数是后面所设计的两款新型换能器的重要参考。它全长81.7mm, 变幅杆3部分尺寸长分别为34mm、21mm、7mm。底部设计了一个深9mm的#10-32的螺纹孔, 用于安装超声电机;顶部开了个直径为1.1mm的#0-80螺纹孔, 则是便于安装劈刀。夹持法兰上开了两个直径为3.3mm的圆孔用于固定。换能器对变幅杆粗糙度要求很高, 要求做镜面抛光。其3D效果如图2。
3.2 新型的法兰型超声换能器
图2所示的法兰型超声波换能器已被人申请专利, 故本文将变幅杆截面形状改成对称的正方形。此款超声波换能器除了变幅杆外尺寸参数与原有的法兰型换能器尺寸参数相同。变幅杆取原换能器圆形变幅杆做内接正方形, 即为边长4.8mm的正方形, 并作镜面抛光, 成为一种新型的法兰型换能器。
首先, 对这种新型的法兰型换能系统中用到的各种材料进行设定。本文选用不锈钢作为换能器的材料。其材料力学特征如表1所示。
然后, 在原有的法兰型换能器的基础上, 设计出新型的法兰型换能器的具体参数。其参数如图3-图7所示。
3D图如图8所示。
3.3 ANSYS仿真分析
(1) 建模。
将画好的3D图以.IGS格式导入ANSYS中。在前处理中, 定义单元类型, 选择SOLID92单元。定义不锈钢属性, 其参数见表1。
(2) 加载并求解。
进入ANSYS求解器, 选择模态分析和Lanczos法求解。待提取的模态个数设置为100, 设置加载频率50k Hz-200k Hz, 进行求解计算。
(3) 提取分析结果。
后处理中, 选择General Postproc下Read Results提取数据并绘制。反复上述操作, 得到100阶模态结果。
通过模态仿真, 得到以下结果, 如图9所示。
由于系统轴向振动模态均能确保芯片保持与基板相对平行的运动状态, 因此成为仿真分析中最值得关注的振动模态。由图可知, 由于换能器时要求其固有频率是63k Hz或138k Hz, 所以认为第31阶振动模态是符合工作频率的, 即64256Hz为此法兰型换能器的固有频率。虽然与设计频率有一定的误差, 但能够满足芯片键合的要求。
(4) 新型的法兰型超声换能器模态分析。
操作同步骤 (1) - (3) , 得到图形显示如图10, 并得到第32阶振动模态是符合工作频率, 其固有频率为64083Hz。
(5) 对比分析。
在相同模态下, 法兰型超声换能器和新型的法兰型超声换能器的固有频率相似, 振态相近。
在工作频率附近, 除了轴向振动之外, 系统还包含扭转振动、水平弯曲振动及垂直弯曲振动等模态类型, 在实际键合条件下, 由于这些谐振频率都没有远离工作频率, 它们极有可能被激发, 就会浪费超声能量, 并破坏芯片与基板之间的正常键合, 所以这些振动模态在工作情况下应该被抑制。
4 新型换能器系统设计的实验验证
通过使用安捷伦4294A阻抗分析仪验证ANSYS仿真得到的固有频率的正确性。图11为新型的法兰型超声换能器实物。图12-16为法兰型超声换能器10KHz-150KHz的阻抗图。
结果表明, 换能器有一定数量的允许谐振频率, 它们分别为:14.4k Hz、27.2k Hz、50.7k Hz、64.1k Hz、81.9k Hz、117.8k Hz、125k Hz。可知:在10-l50k Hz频率范围内有7个轴向固有频率, 其中第4阶64.1k Hz与仿真频率64083Hz非常接近, 其与仿真的误差仅为0.03%。
5 结论
5.1 超声换能系统的设计及模态分析的结论
(1) 对于法兰型超声换能器在50k Hz-200k Hz范围内, 共做了100阶模态分析, 其中第31阶振动模态是符合工作频率的, 即64256Hz为此法兰型换能器的固有频率。
(2) 对于新型的法兰型换能器, 在50k Hz-200k Hz范围内的100阶模态中, 其中第32阶振动模态符合工作频率的, 其固有频率为64083Hz。
5.2 超声换能系统的振动特性分析的结论
新型的法兰型超声波换能器在10k Hz-l50k Hz频率范围内有7个轴向固有频率, 其中第4阶64.1k Hz与仿真频率64083Hz非常接近, 其与仿真的误差仅为0.03%。
参考文献
[1]林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京:科学出版社, 2004, 6:2-4.
[2]杜功焕.声学基础.上册[M].上海:上海科学技术出版社, 1981:119-131.
电声换能器与扬声器打摩 第5篇
关键词：电声换能器理论,打摩改造扬声器,等效四端网络,换能器力方程,力阻,音圈,折环,短路环
为什么国产扬声器的价格仅为进口产品的十分之一?为什么国产喇叭的音质一般都比进口产品差?为什么发烧友宁愿花大的代价也不愿换用低端国产音响?我们忽视了一些基础的东西, 电声换能器是打摩扬声器必不可少的理论依据, 希望音响界对它给予足够的重视。
1 电声换能器的分类
电声换能器主要有以下四类:
1.1 电动式:
电动式换能器是利用安培定律和电磁感应定律将声能和电能相互转换的换能器。图1所示为电动式扬声器的工作原理截面图, 线圈放置在环状磁隙中, 当导体通过音频电流时, 导体在磁场内做切割磁力线运动, 带动振膜发出声音, 实现电声转换。
1.2 电容式:
电容式换能器是利用电容极板间的静电力实现电声转换的。图2所示当可变电容两极板间加有音频信号时, 由于极板间电压发生变化, 产生变化的电场力, 将电能转化成声能。
1.3 压电式:
压电式换能器是利用压电效应实现电能与声能相互转换的, 多用压电陶瓷等晶体制造。
1.4 气流调制式:
气流调制式只能将电能转化成声能, 但这种换能器输出功率可达几千瓦, 适用于远距离扩声、远程报警等场合。
2 换能器的等效四端网络
将换能器建立成数学模型, 有助于对其进行分析和计算。
2.1 电动式换能器的等效四端网络:
如图1所示, 线圈处于环形磁隙中, 假设通过线圈的电流是I, 磁感应强度为B, 线圈总长为L, 由安培定律可知线圈受力为BLI。若振膜上受外力为F, 则振动系统受合力为F+BLI。换能器的力方程就可写成F+BLI=ZmoV公式中V表示振膜振速, Zmo表示系统开路阻抗Zmo=Rmo+jωMmo+j/ (ωCmo) , 公式中Rmo为等效力阻, Mmo为等效质量, Cmo为等效力顺。经过分析, 我们可以画出电动式换能器的等效网络如图3所示。
2.2 电容式换能器的等效四端网络:
根据电容的基本原理和换能器的力学特点, 我们也可以得到电容式的等效网络如图4所示。电容式换能器的力方程为F-UI/ (jωXo) =ZmoV
公式中U表示极板间电压, Uo表示极板间的初始极化电压, Xo表示极板间的距离。
3 了解换能器的意义
当换能器作为电声器件时, 我们不仅希望它的输入输出成线性关系, 而且希望它的频率特性是平坦均匀的。多数换能器在20—20KHz音频的中低频段近似认为是集中参数系统, 而这样一个系统, 都存在一个共振频率ωo。我们对这种换能器或设备有三种控制方法:一种为力阻控制, 调节Rmo (或者Q) ;一种为质量控制, 调节Mmo;一种为弹性控制, 调节Cmo。这是打摩音箱或音响设备的根本理论依据。
4 扬声器的打摩与改造
扬声器是将电能转换成声能的换能器, 电学端是它的输入端, 力学端是它的输出端, 输出负载是振膜的辐射阻抗。利用换能器的等效网络, 可以画出扬声器的等效线路, 然后对它进行分析与改进。
4.1 对音圈的打摩与改造
采用长音圈或短音圈代替普通音圈:加长或缩短音圈是为减小由磁场不均所产生的非线性矢真, 主要应用于低音扬声器, 但短音圈在球顶式扬声器中也多有应用。短音圈指的是音圈长度比磁隙长度小, 一般取的音圈长度小于导磁板厚度与2倍音圈最大振幅之差, 使音圈在振动时不致于跳出磁场均匀区, 避免了非线性矢真。但这种方法磁场的利用率较低, 为了达到一定的灵敏度和功率必须增大磁钢的体积。所谓长音圈的音圈长度一般超过导磁板厚度与2倍音圈最大振幅之和, 使音圈振动时切割决大部分磁力线, 使平均磁感应强度保持恒定。但由于平均磁场比匀强磁场弱, 因此扬声器的灵敏度也会降低, 但为了得到优美的声音, 牺牲一些灵敏度和增大磁钢体积也是值得的。图5分别为短音圈、普通音圈和长音圈示意图。
音圈截面的打摩:导线截面有圆形和矩形之分, 矩形截面导线能有效地利用空间, 使磁通均匀, 但绕制较困难, 只出现在高级扬声器中。音圈绕制的层数应该取偶数, 即两层或四层, 现在多数扬声器都应做这样的改造。另外音圈所用的材料主要有铜、铝、铜包铝三种, 铜线可焊性好, 铝线效率高, 铜包铝线有二者的优点。
4.2 对纸盆的打摩与改造
改造纸盆形状:按纸盆母线可将纸盆分为直线形、指数形、抛物线形三种, 如图6所示。抛物线形纸盆半顶角大, 高频上限附近有一个尖峰, 适合做低音扬声器。直线形纸盆比较多见, 适合做低音扬声器, 但频响曲线不够平直。指数形纸盆半顶角小, 没有明显峰值, 适合做宽频带和高音扬声器, 但不适合做中低音扬声器。
改造纸盆内部结构:纸盆材质结构分为单层结构、多层结构和蜂巢结构三种。目前多数扬声器为单层纤维结构, 由于各种纤维形状不同, 比例不均匀, 透气性也不能满足要求, 放音会出现局部共振和分割矢真, 要想得到更好的音质, 必须对纸盆进行打摩和改造。多层结构纸盆由性质不同的材料叠积组成。蜂巢结构纸盆为中空构造, 提高了纸盆强度并使放音更均匀, 后两种结构较复杂只出现在高档扬声器的生产中。
打摩纸盆外部结构:用等效分析的方法可以得到以下的结论———要降低扬声器的低频下限频率, 就要增大振动系统质量, 增大振动辐射面积;而要提高上限频率, 又要减小振动系统质量, 减小振动辐射面积。这显然是一对矛盾。对于低音扬声器, 可以加重其纸盆质量, 比如用金属或液态防尘罩等, 对高音喇叭则应相反。有些厂家把纸盆做成了双纸盆结构, 如图7所示, 双纸盆可以在一定程度上展宽频带, 但由于大小纸盆都连在同一个音圈上, 因而互调矢真加大, 还是应该对低音扬声器和高音扬声器分别进行打摩和改造。在纸盆上加环状折皱可以改善元件力顺, 抑制高频峰值, 因此优质扬声器纸盆上都加有各种折皱结构。
4.3 折环的打摩
折环是振动系统的支撑结构, 它要保证纸盆沿轴向振动, 并要阻挡纸盆前后空气的流通。大多数折环应具有2~3个波纹, 质量一般很轻, 当折环质量不可忽略时, 折环的等效质量为其实际质量的三分之二。折环在改造时应采用不易激发共振的不对称形状, 比如将原喇叭的正铉波纹改成锯齿波纹;折环应采用阻尼较大的材料, 也可涂上阻尼树脂, 以抑制共振幅度;适当减小折环宽度, 改善扬声器中频特性。
4.4 给磁钢加短路环
加短路环是为了改善扬声器高频声辐射, 展宽高频上限, 同时减小高频电流矢真的一项措施。短路环其实就是套在导磁柱上的一个薄铝套或者铜套, 厚度为0.3mm左右, 起到音圈次级线圈的作用。它可以改善音圈的电感性, 减小电流的非线性矢真。也可以采用线性磁路的方法, 即在导磁柱中央挖出凹形缺口, 以减小导磁的非线性。
4.5 对号筒扬声器号筒的打摩
号筒式扬声器的非线性矢真主要由号筒前室空气的非线性和喉部声波的传播所引起。由于高音辐射具有尖锐的指向性, 为了改善声音的辐射特性, 可采用以下矩形、径向弧形、多格形状的号筒。矩形号筒加工简单, 声音指向性也有所改善;径向号筒将声音以同心圆的状态向外传播, 可以获得较宽的水平指向, 也是使用较多的号筒;多格号筒相当于若干号筒紧贴组成的扇形辐射器, 高频指向性稳定。另一种改善号筒指向性的方法是采用声透镜, 如图9所示, 声波在透镜中经过多次反射加长了行程, 相当于声速变慢, 声音以球面或圆柱面的形式向外辐射, 声音更稳定。
换能器影响 第6篇
近年来, 多极子阵列声波测井在各油田得到了广泛应用, 充分体现了声波测井仪集成化和阵列化的优势, 使得一次下井能取得多种类型的声波参数, 从不同角度认识和评价复杂地层的各种属性变化[1,2]。多极子阵列声波测井仪是将单极子阵列声波和偶极子阵列声波组合在一起, 可以完整地接收到纵波和横波数据[3], 而且采用多接收阵列 (8-13个) , 这样可一次下井可获得更多数据。声波测井仪器设计时需要考虑诸如源距、间距、换能器结构等主要因素[4,5,6]。此外, 发射、接收换能器之间的隔声以及接收换能器之间的隔声设计在声波测井仪器设计中发挥越来越重要的作用, 目前三大石油测井公司的代表性的声波测井仪器中换能器都采用了这种模式, 这些换能器的隔声结构各有各的特色, 为了设计出好的声波测井仪器, 本文对多极子阵列声波测井仪接收换能器的隔声及防震设计进行探讨。
1阵列声波接收换能器设计需考虑的问题
对于阵列声波换能器设计要着重考虑下面两个问题:
1.1隔声
声波测井仪器在设计的各个地方都必须考虑隔声问题。对于阵列声波测井仪, 接收换能器的隔声主要考虑两个方面:一是由发射换能器直接沿机体传过来的直达波信号。二是对于接收换能器阵列中的每个换能器, 要防止接收到的声波信号传播到其它换能器。
1.2接收晶体安装和保护
接收晶体是由易碎的压电陶瓷制成。当晶体感应声波信号发生振动时, 容易与周围的零件发生碰撞而导致晶体碎裂。另外, 仪器发生较大的磕碰时也容易损坏晶体。因此, 晶体周围一般采用具有弹性的零件。此外, 晶体安装完成以后, 在晶体内部不能有内应力, 否则其在感应振动时极易碎裂。鉴于以上情况, 对晶体的防震保护是十分必要的。
针对上述两个问题, 本文对多极子阵列声波测井仪接收换能器的隔声及防震设计进行了改进。
2平面声波垂直入射时的反射和透射原理
本文根据测井波动声学理论, 利用一维声传播模型[7], 对接收换能器阵列整体隔声, 以及接收换能器阵列中各换能器的隔声特征进行研究, 从而得到隔声效果比较好的设计。
平面声波垂直入射时的反射和透射模型如图1所示[8], ρ1c1和分别为媒介I和II的特性阻抗, 它们分界面的坐标为x=0, 如果一列声压为pi=Piaej (ωt-kx) 的平面声波从媒介I垂直入射到分界面上, 由于分界面两边的特性阻抗不同, 就会有一部分声波反射回去, 另一部分透入媒质II中。现在分别来求解媒质I和II中的声场。
在媒介中求解一维声波方程式可得声压的形式为式 (1) 。
p1=Aej (ωt-k1x) +Bej (ωt+k1x) (1)
式 (1) 中第一项为入射波, 常数A为入射波幅值pia, 式中第二项代表媒介I中的反射波pr, 即有pr=praej (ωt+k1x) , 因此, 式 (1) 可改写为式 (2) 。
p1=pi+pr=piaej (ωt-k1x) +praej (ωt+k1x) (2)
即媒质I中的声场为入射波与反射波之和。
由于媒介II无限延伸, 不会出现x方向的反射波, 所以, 透入媒介II中的透射波pt为式 (3) 。
p2=pt=ptaej (ωt-k1x) +vraej (ωt+k1x) (3)
质点在媒介I和II中的速度v1及v2分别为式 (4) 和式 (5) 。
v1=viaej (ωt-k1x) +vraej (ωt+k1x) (4)
v2=viaej (ωt-k1x) (5)
式 (4) 和式 (5) 中
通过声学边界条件来确定反射、透射的大小。根据声学边界条件, 在x=0的分界面处应有声压连续及法向质点速度连续, 如式 (6) 所示。
将式 (2) 、式 (3) 、式 (4) 、式 (5) 带入式 (6) 得式 (7) 。
联合式 (4) 、式 (5) 及式 (7) 即可求得在分界面上反射波声压与入射波声压之比rp, 反射波质点速度与入射波质点速度之比rv, 透射波声压与入射波声压之比tp及透射波质点速度与入射波质点速度之比分别为式 (8) 所示。
式 (8) 中
可见, 声波在分界面上的反射与透射的大小仅决定于媒质的特性阻抗。
根据式 (8) 可求得反射波声强与入射波声强大小之比即声强反射系数r1, 如式 (9) 所示。
因为式 (9) 中R1与R2是对称的, 所以声强反射系数与声波反射系数无关。无论R12∝0或R12∝5时rI=1, 此时发生全反射。
3阵列声波换能器的隔声及防震设计
根据上述理论, 在实际的接收换能器阵列设计中, 为了得到较大的声波反射系数, 选取密度相差较大的材质加工零件。
首先, 为了减小直达波的干扰, 在换能器阵列的上下两端增加了高比重元件, 如图2所示。元件材料选用高比重合金, 其密度为
其次, 为了消减声波信号在接收换能器间传播, 提高接收换能器间的声阻。在每个接收换能器间均采用橡胶元件连接, 如图3、图4所示。与橡胶元件接触的安装架材质为不锈钢, 其密度
1上接收调整块, 2橡胶件, 3、4接收换能器, 5下接收调整块
通过以上计算得到的声强反射系数可见, 大部分能量都被反射回来, 因此, 隔声效果大大提高了。传统仪器中单一用不锈钢作为连接元件, 则声强反射系数趋于0, 从而起不到隔声的效果。通过以上计算可见, 本结构大大提高了隔声效果。
最后, 换能器设计中利用橡胶垫及橡胶绑带来保护接收晶体并防止其在安装时产生内应力, 如图5、图6所示。接收晶体的底面贴靠在比较柔软且具有弹性橡胶垫上, 且卡在其上的两个狭长突起之间, 这样对晶体的底部和左右两端都进行保护;接收晶体橡胶绑带利用自身的弹性压住晶体的上表面, 压力的大小可通过更换不同弹性的橡胶绑带来调节, 装配体见图7。这样晶体的上下都是具有弹性的橡胶件, 可完全保证晶体不与坚硬的金属件接触;同时由于橡胶件对晶体的压力很小, 不会使晶体产生内应力, 从而对晶体起到了保护和防震作用。
1橡胶垫, 2接收晶体, 3橡胶绑带
4实验结果
在实验中采用此结构的测井仪器也取得了很好的测量结果。图8为实验采集到的数据。
如图8先后到达接收器的分别是纵波、横波、斯通利波, 各种波动模式波的特征明显。各个换能器的波形形态良好, 信噪比高, 说明隔声效果达到要求。
5结论
本文应用一维声波传播模型对接收换能器阵列整体的隔声, 以及接收换能器阵列中各换能器的隔声特征进行研究, 给出了隔声效果比较好的设计。此外, 在接收晶体周围采用具有弹性的元件, 同时优化固定元件的设计, 从而对晶体起到了保护和防震作用。随着测井技术的不断发展, 采用此换能器的多极子阵列声波测井仪必将在国内市场得到广泛的应用, 其前景十分广阔。
摘要：随着多极子阵列声波测井仪在各油田的广泛应用, 阵列声波测井仪器在设计时不但要考虑机械结构的稳定性, 更要考虑声波的隔声效果, 避免声波沿着机体及个连接部分传播。用一维声波传播模型给出了一种隔声设计方法, 对接收换能器阵列整体隔声以及各个换能器之间的隔声特征进行了分析, 给出了隔声效果比较好的设计。
关键词：声波测井仪,阵列声波,接收换能器,隔声设计,防震
参考文献
[1]李长文, 强毓明, 李国利, 等.现代声波测井技术发展的若干特点.测井技术, 2006;30 (2) ;101—104
[2]高坤, 陶果, 仵岳奇, 等.利用多极子阵列声波测井资料计算横向各向同性地层破裂压力.中国石油大学学报 (自然科学版) , 2007;31 (1) ;35—39
[3]赖富强, 孙建孟, 苏远大, 等.利用多极子阵列声波测井预测地层破裂压力.勘探地球物理进展, 2007;30 (1) ;39—42
[4]沈建国.应用声学基础——实轴积分方法与二维谱技术.天津:天津大学出版社, 2004
[5]楚泽涵.声波测井原理.北京:石油工业出版社, 1994
[6]张海澜.井孔的声场和波.北京:科学出版社, 2004
[7]沈建国, 富伟平.声波测井仪器接收换能器隔声设计.石油仪器, 2005;19 (5) ;8—10
[8]杜功焕, 著哲民, 龚秀芬.声学基础.201—205
电磁超声换能器的前置放大电路设计 第7篇
关键词：前置放大器,NJM4580,AD620,Multisim 10
0 引 言
在无损检测中,EMAT因其独有的优点被广泛应用,但经EMAT接受线圈接受到的信号通常很微弱,信号幅值小,一般只有几十μV到几百μV,并且对周围环境噪声敏感度高,接收信号常被淹没在噪声中,辐射模式较宽,能量不集中[1,2]。为了得到适合显示观察的水平,需要对信号进行放大和滤波处理,以减少噪声和干扰。为了避免EMAT的接收系统放大倍数过大引起信号失真和自激的现象,通常采用多级放大。主要包括前置放大器、滤波器、主放大器,以及用于在数字设备中的A/D转换电路等。为了得到更好的结果,前置放大器自然起着至关重要的作用。应用专业的EDA软件对其进行仿真分析,能够更迅速准确地分析电路性能,从而选出性能较好更适合需要的电路,本文设计了2种前置放大器,并且利用Multisim10仿真软件对这2种电路进行了仿真比较。
1 前置放大器
1.1 用NJM4580设计的放大器
在第一种电路设计中,选用NJM4580运算放大器,该放大器是日本新无线公司生产的双路运算放大器,具有无噪声、更高的增益带宽、高输入电流和低失真度,不仅适用于音响前置放大器的音响电子部分和有源滤波器,还适用于手工测量工具等。
NJM4580的主要特点是[3]:工作电压为±5~±18 V;低输入噪声电压为0.8μV;增益带宽为15 MHz;低失真为0.005%;转换速率为5 V/μV;采用双极技术。应用NJM4580设计的放大器电路如图1所示。
本设计采用NJM4580,主要是在差分放大电路设计部分保持信号的带宽,使其不失真。采用3个运算放大器排成2级,由运放U1A,U2A按通向输入接法组成第1级差分放大电路,运放U3A组成第2级差分放大电路。在第1级电路中,信号源加到U1A的同相端,R6和R3,R4组成的反馈网络,引入了负反馈。
为了使电路对称,提高仪用放大器性能,选取的电阻应满足R3=R4关系,参数严格匹配,误差控制在很小范围内。经过计算,最终得到输出电压的关系如式(1):
所以,电压增益可以由式(2)得到:
从式(2)中可直观看到,根据选取R5/R1和R3/R6电阻的比例关系,达到不同信号放大比例的要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计中最重要的环节之一。考虑到电路的稳定和安全,固定R1~R5,R7,R8的阻值,都选精确的10 kΨ电阻,只将R6设置成可调,随着R6的减小,放大倍数越大,带宽越窄。所以设计时确定R6为2 kΨ。该放大电路是级联放大电路,为前级放大,而后级级联放大电路则由2个741级联构成[4],共同组成一个完整的信号接收端的前置放大电路。
1.2 应用AD620设计的放大器
在进行微弱信号检测中,为了减少集成运算放大器对电路的干扰,应选择接近理想运算放大器的芯片。要求具有较小的输入偏执电流、输入偏执电压和零漂,具有较大的共模抑制比和输入电阻[5]。因此,在另一种电路设计中,应用AD620对第一种电路进行改进。AD620是AD公司生产的高精度单片仪表运放,它拥有差分式结构,对共模噪声有很强的抑制作用,同时拥有较高的输入阻抗和较小的输出阻抗,非常适合对微弱信号的放大[5],而且AD620具有很好的直流和交流特性,更有低功耗、高输入阻抗、低输入失调电压、高共模抑制比等优点,其外部电路连接方便简单,只需要一个连接于1,8脚的外接电阻就可调节放大倍数[6]。增益G=49.4 kΨ/RG+1。其中:RG为1和8脚连接的外电阻。AD620主要特点有以下几点[7]:带宽800 MHz,输出功率24 mW;功率增益120 dB;工作电压±15 V;静态功耗0.48 mW;输入失调电压60μV;转换速率1.2 V/μs;最大工作电流1.3 mA;输入失调电压5μV;输入失调漂移最大为1μV/℃;共模抑制比93 dB。应用AD620设计的电路如图2所示。
2 采用Multisim 10软件仿真
2.1 软件介绍
Multisim 10是由美国国家仪器公司(National Instrument,NI公司)推出的,相对于Multisim 10的仿真软件,它具备更加形象直观人性化的特点,提供了16 000多个高品质的模拟、数字元器件;各种分析方法(直流扫描分析,参数扫描分析等);电压表、电流表和多台仪器(数字万用表、函数信号发生器等)。该软件大多数采用的是实际模型,保证了仿真和实验结果的真实性和实用性。应用Multisim 10可以进行模拟电路、数字电路、模数混合以及射频电路的仿真。其中,它的高频仿真和涉及环境是众多通用仿真电路软件中所不具备的。本文设计的是μV级的电压信号放大。采用了2种方案,通过Multisim 10的仿真来对这两种电路性能进行比较[8,9,10]。
2.2 仿真比较
(1)函数信号发生器的设置。在软件中打开信号发生器,因本文使用的信号频率范围一般为25 kHz~1 MHz,为了模拟传感器接收到的信号,在此范围中,选取输入信号频率为100 kHz,幅度为100μF的正弦波信号来做分析比较,函数发生器设置如图3所示。
(2)电路的幅频特性仿真与比较。应用此软件中的波特图仪(Bode Plotter)对两电路的幅频特性进行仿真比较,设置的观察频率范围是25 kHz~1 MHz,结果如图4所示。
通过波特图可以直接观察出当输入信号频率为25 kHz时,两电路的增益分别为85 dB和98 dB。比较可以得出,应用AD620改进电路的放大效果较好。通过移动波特图仪的光标柱可以观察2个电路在其他频率时的放大增益。将光标注移动到100 kHz,可以直接观察到此频率下两电路的增益分别为60 dB和72 dB。
以此类推,通过移动光标柱可以获得输入信号为其他频率时的两电路增益,不同输入信号频率下的增益如表1所示。通过比较可知,应用AD620电路的增益高于应用NJM4580电路的增益。
(3)输出信号波形的比较。在软件打开示波器,在示波器中进行设置,红色表示输入信号,绿色表示放大后的输出信号。选取频率100 kHz,幅度100μV的信号,经电路放大,分别得出输出波形如图6所示。通过Multisim 10仿真可以很清晰地看出两电路的输出波形。为了便于对波形进行观察,将Channel A(输入信号通道)设置为100μV/Div,图6(a)的Channel B(输出信号通道)设置为100 mV/Div,图6(b)的Channel B(输出信号通道)设置为500 mV。从波形图可以看出,当输入信号均为100μF时,两电路输出的信号大小分别为100 mV和380 mV,很显然,应用AD620的改进电路二,放大倍数更大。通过此方法,可以对输入信号为其他频率时的输出波形进行比较。
3 结 语
本文针对输入信号为微幅级的信号,用NJM4580运算放大器设计了与741共同构成的级联放大电路,并在此基础上应用AD620对电路进行改进以达到更加优良的性能;利用Multisim 10对设计的2个放大电路进行仿真、比较,从而验证了应用AD620的放大电路不仅电路构成简单,而且在放大性能上更加优于应用NJM4580运算放大器构成的差分级联放大电路。
参考文献
[1]王淑娟,康磊,赵再新,等.电磁超声换能器的研究进展综述[J].仪器技术与传感器,2006(5):6-8.
[2]王淑娟,康磊,翟国富.电磁超声换能器的微弱信号检测[J].无损检测,2007,29(10):591-595.
[3]新日本无线公司.NJ M4580元件数据手册[M].北京:新日本无线公司,2003.
[4]黄丽,李雪梅.基于Multisi m仿真的超声波测距系统的设计与实现[J].湖南工程学院学报,2009(11):53-55.
[5]张石锐,郑文刚,黄丹枫,等.微弱信号检测的前置放大电路设计[J].电子设计,2009(8):106-108.
[6]常新华,王洪刚,于永江,等.一种程控放大滤波器设计[J].四川师范大学学报:自然科学版,2009(10):95-97.
[7]王树振,单威,宋玲玲.AD620仪用放大器原理与应用[J].微处理机,2008(3):33-35.
[8]李松松,李响,高晓也.Multisi m在射频电路实验教学中的应用研究[J].现代电子技术,2010,33(9):125-127.
[9]刘宏杰,李晓波,谢海良.基于Multisi m10的低频功率放大电路分析与仿真测试[J].世界科技研究与发展,2009(6):16-18.
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