Принцип и дизайн подлинного ультразвукового преобразователя, электрического и акустического сопоставления ультразвукового конвертера Linshuyu Science Press, проанализировано учебник из учебника
Вес товара: ~0.7 кг. Указан усредненный вес, который может отличаться от фактического. Не включен в цену, оплачивается при получении.
Описание товара
Автор: Лин Шую
Пресса: Science Press
Дата публикации: 2004-06-01
ISBN: 9787030134196
Эта книга представляет собой теоретическую монографию, знакомящую с акустическими преобразователями и охватывающую все аспекты акустических преобразователей. Многие главы представляют собой резюме многолетних научных исследований и педагогической практики редактора.В книге пристальное внимание уделяется содержанию акустических преобразователей и подробно обсуждаются различные типы акустических преобразователей, от базовых знаний до теоретического анализа, от расчетов конструкции до практического применения, а также в ясной и простой форме, а также новые разработки в этой области.Книга разделена на 12 глав. Глава 1 представляет собой введение, в котором кратко представлены основные понятия об акустических преобразователях; В главах со 2 по 11 представлены 10 различных типов акустических преобразователей; В главе 12 анализируется электрическое и акустическое согласование акустических преобразователей; а затем предоставляет читателю соответствующие ссылки.Эта книга может быть использована в качестве справочника научными и техническими редакторами, профессиональным и техническим персоналом, занимающимся исследованиями акустических преобразователей, а также преподавателями и студентами колледжей и университетов. 
Предисловие
Глава 1 Введение 1
1.1 Знакомство с ультразвуковым преобразователем 1
1.2 Основные эксплуатационные показатели ультразвукового преобразователя 4
1.3 Методы исследования ультразвуковых преобразователей 7
Глава 2 Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь 10
2.1 Пьезоэлектрические материалы и пьезоэлектрический эффект 11
2.2 Режимы вибрации пьезокерамических вибраторов 22
2.3 Резонансные характеристики пьезокерамического вибратора 31
2.4. Динамические характеристики пьезоэлектрического керамического вибратора и его эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами 32
2.5. Характеристики адмиттанса и импеданса пьезоэлектрических керамических вибраторов 34
2.6 Эквивалентная схема пьезокерамического вибратора 36
Глава 3 Магнитострикционный ультразвуковой преобразователь 50
3.1 Магнитострикционные материалы 50
3.2 Магнитострикционный эффект 52
Глава 4. Ультразвуковой преобразователь «воздух-среда» 56
4.1 Состояние исследований ультразвуковых преобразователей с воздушным воздействием 56
4.2 Типы воздушных ультразвуковых преобразователей 58
4.3 Применение воздушного ультразвукового преобразователя 65
Глава 5 Гидродинамический ультразвуковой преобразователь 67
5.1 Типы гидродинамических эхолотов 67
5.2 Современное состояние и перспективы гидродинамических генераторов звука 71
Глава 6. Датчик фокусированного ультразвука 73
6.1 Основной принцип работы ультразвуковой фокусирующей системы 73
6.2 Расчет звукового поля нескольких широко используемых систем ультразвуковой фокусировки 78
Глава 7 Сэндвич-пьезоэлектрический керамический ультразвуковой преобразователь 91
7.1 Введение
7.2 Теоретический анализ и проектирование сэндвич-пьезоэлектрического керамического композитного преобразователя 98
Глава 8. Ультразвуковой преобразователь крутильных колебаний 112
8.1 Крутильные колебания тангенциально J-образного пьезоэлектрического керамического тонкого стержня 112
8.2 Крутильные колебания тангенциально J-образного пьезоэлектрического керамического тонкого круглого кольца 118
8.3. Крутильные колебания тангенциально J-образной стопки пьезоэлектрических керамических пластин 123
8.4 Теория проектирования сэндвич-пьезоэлектрического керамического преобразователя крутильных колебаний 126
Глава 9 Ультразвуковой преобразователь изгибных вибраций 132
9.1 Многослойный пьезоэлектрический керамический преобразователь изгибной вибрации 133
9.2 Изгибные колебания прямоугольного пластинчатого пьезоэлектрического керамического вибратора конечной ширины 142
9.3 Пьезоэлектрический керамический ультразвуковой преобразователь сэндвич-изгибной вибрации 148
9.4 Ультразвуковой преобразователь изгибной вибрации типа преобразования режима 161
Глава 10. Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь с составным режимом вибрации 178
10.1 Продольно-крутильная ультразвуковая вибрационная система композитного режима 179
10.2 Сэндвич-продольный и изгибный ультразвуковой преобразователь композитного типа 188
10.3 Многослойный ультразвуковой преобразователь с крутильным изгибом и композитным режимом 192
10.4 Ультразвуковой преобразователь с продольно-крутильным и композитным режимом преобразования сэндвич-моды 199
Глава 11. Тестирование ультразвуковых преобразователей 207
11.1 Проверка ультразвукового зонда 208
11.2 Некоторые основные требования к испытаниям ультразвуковых преобразователей 220
11.3 Проверка согласования акустического импеданса ультразвуковых преобразователей и выбор основы 230
11.4 Проверка электрического согласования ультразвуковых преобразователей 235
Глава 12 Электрическое и акустическое согласование пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей 238
12.1 Анализ динамических характеристик пьезокерамического ультразвукового преобразователя 238
12.2 Электрическое согласование пьезоэлектрических керамических ультразвуковых преобразователей 244
12.3 Акустическое согласование пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей 258
Ссылка 262 -----
Глава 1 Введение
1.1 Знакомство с ультразвуковым преобразователем
Акустика — древняя, но молодая наука, и исследования в области акустики и связанных с ней физических дисциплин всегда находятся на переднем крае физических исследований. С развитием науки и техники акустика проникла во многие другие области естествознания и способствовала возникновению и развитию многих краевых предметов. Сейчас современная акустика стала очень активной субдисциплиной современной физики.
Развитие классической акустики связано главным образом с изучением вибрации музыкальных инструментов, а вибрация музыкальных инструментов побудила многих математиков заняться изучением вибрации предметов. Исследование вибрации объектов не только дает важнейшие средства для исследования и развития теоретической основы преобразователей, но также дает важнейшие средства для развития современной акустики.Когда развитие классической А. достигло своего апогея в конце 19 в., именно применение электроники и электроакустических преобразователей подняло средства изучения А. на новый этап, что привело к возникновению и бурному развитию различных разделов современной А.
Ультразвук появился в начале 20 века.Это комплексная высокотехнологичная дисциплина, разработанная на основе классической теории акустики и объединенная с достижениями в других областях, таких как радиоэлектроника, технология цифровой обработки сигналов, радиолокационная техника, физика твердого тела, физика жидкости, биотехнология и вычислительная техника.Почти столетняя история развития показывает, что ультразвук является наиболее активной частью развития акустики. Он не только широко использовался в некоторых традиционных промышленных и сельскохозяйственных технологиях, но также проник в высокотехнологичные области, такие как национальная оборона, биология, медицина и авиация.
Ультразвук в основном изучает генерацию, распространение, прием, обработку информации и связанные с ними эффекты ультразвуковых волн в различных средах.Ультразвуковая физика и ультразвуковая техника являются двумя основными аспектами ультразвука. Ультразвуковая физика является основой ультразвуковой техники, которая обеспечивает необходимую теоретическую и экспериментальную основу для различных прикладных технологий ультразвуковой техники. Содержание исследований в области ультразвуковой техники в основном включает инженерное проектирование и исследование процессов систем генерации, передачи и приема ультразвуковых волн в различных технологиях применения ультразвука. Ультразвуковые преобразователи являются одной из наиболее важных частей технологии ультразвуковой инженерии и самой быстрорастущей отраслью акустических преобразователей.
Как следует из названия, преобразователь — это устройство для преобразования энергии, устройство, которое преобразует одну форму энергии в другую форму энергии.В области акустических исследований преобразователи в основном относятся к электроакустическим преобразователям, которые могут обеспечивать взаимное преобразование электрической энергии и акустической энергии.Стоит отметить, что значение упомянутого здесь электроакустического преобразователя гораздо шире, чем значение так называемых электроакустических преобразователей, таких как динамики и микрофоны, в области электроакустики.В настоящее время применение различных акустических преобразователей, от массивов гидроакустических преобразователей размером с целое здание до небольших преобразователей зондового типа, способных глубоко проникать в кровеносные сосуды человека, позволило акустическим технологиям проникнуть в различные области научных исследований и инженерных технологий.
Преобразователь, используемый для излучения звуковых волн, называется передатчиком. Когда преобразователь находится в состоянии передачи, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, а затем в звуковую энергию.Преобразователь, используемый для приема звуковых волн, называется приемником. Когда преобразователь находится в состоянии приема, он преобразует звуковую энергию в механическую энергию, а затем в электрическую энергию.В некоторых случаях преобразователь может использоваться как в качестве передатчика, так и в качестве приемника, что представляет собой так называемый преобразователь-трансивер. Принцип работы преобразователя в целом тот же. Обычно преобразователь имеет элемент накопления электрической энергии и механическую вибрационную систему.Когда преобразователь используется в качестве передатчика, сигнал электрических колебаний, посылаемый с выходного каскада источника питания возбуждения, вызывает изменения в электрическом поле или магнитном поле в элементе накопления электрической энергии в преобразователе.Это изменение электрического поля или магнитного поля создает движущую силу в системе механической вибрации преобразователя посредством определенного эффекта, заставляя ее переходить в состояние вибрации, тем самым способствуя вибрации среды, находящейся в контакте с системой механической вибрации преобразователя и излучающей звук в среду.Процесс получения звуковых волн совершенно противоположный.При приеме звуковых волн внешние звуковые волны воздействуют на вибрационную поверхность преобразователя, вызывая вибрацию механической вибрационной системы преобразователя.С помощью определенных физических эффектов электрическое поле или магнитное поле в элементе накопления энергии преобразователя изменяется соответствующим образом, заставляя электрический выходной конец преобразователя генерировать напряжение и ток, соответствующие акустическому сигналу.
Ультразвуковой преобразователь — это устройство преобразования энергии, которое преобразует переменные электрические сигналы в акустические сигналы в пределах ультразвукового диапазона частот или преобразует акустические сигналы во внешнем звуковом поле в электрические сигналы.Поскольку ультразвуковые волны при распространении в среде вызывают множество физических, химических и биологических эффектов, а также поскольку ультразвуковые волны обладают высокой проникающей способностью, хорошей способностью к кластеризации, большой пропускной способностью информации, а также позволяют легко проводить быстрые и точные онлайн-неразрушающие испытания и неразрушающую диагностику, они широко используются в промышленности, сельском хозяйстве, национальной обороне, биомедицине и научных исследованиях.
Существует множество типов ультразвуковых преобразователей.По механизму преобразования энергии и используемым материалам преобразования энергии его можно разделить на пьезоэлектрические преобразователи, магнитострикционные преобразователи, электростатические преобразователи (емкостные преобразователи), механические ультразвуковые преобразователи и т. д. По режиму вибрации преобразователь можно разделить на преобразователь продольной (толщины) вибрации, преобразователь сдвиговой вибрации, преобразователь крутильных колебаний, преобразователь изгибных колебаний, продольно-крутильный композитный и продольно-изгибающий датчики.композитный преобразователь режима вибрации и т. д. В зависимости от рабочей среды преобразователя его можно разделить на газовые ультразвуковые преобразователи, жидкостные преобразователи и твердотельные преобразователи.В зависимости от рабочего состояния преобразователя его можно разделить на передающие ультразвуковые преобразователи, приемные ультразвуковые преобразователи и приемопередатчики ультразвуковых преобразователей.В зависимости от входной мощности и рабочего сигнала преобразователя его можно разделить на силовой ультразвуковой преобразователь, ультразвуковой преобразователь обнаружения, преобразователь импульсного сигнала, преобразователь модулированного сигнала и преобразователь непрерывного сигнала.В зависимости от формы преобразователя его можно разделить на стержневой преобразователь, дисковый преобразователь, цилиндрический преобразователь, сферический преобразователь и т. д. Кроме того, для различных применений требуются ультразвуковые преобразователи различной формы, такие как ультразвуковые преобразователи плоских волн, ультразвуковые преобразователи сферических волн, ультразвуковые преобразователи цилиндрических волн, фокусированные ультразвуковые преобразователи и матричные ультразвуковые преобразователи.
Ультразвуковой преобразователь представляет собой устройство преобразования энергии, и для описания и оценки его характеристик требуется множество параметров.К характеристическим параметрам ультразвуковых преобразователей относятся резонансная частота, полоса частот, коэффициент электромеханической связи, электроакустический КПД, механическая добротность, характеристики импеданса, частотные характеристики, направленность, чувствительность передачи и приема и т. д. Преобразователи различного назначения предъявляют разные требования к рабочим параметрам.Например, для передающего ультразвукового преобразователя требуется, чтобы преобразователь имел большую выходную мощность и высокую эффективность преобразования энергии; а для приемного ультразвукового преобразователя необходимы широкая полоса частот и высокая чувствительность.Следовательно, в конкретном процессе проектирования преобразователя соответствующие параметры преобразователя должны быть разумно спроектированы в соответствии с конкретным применением.
По различным физическим эффектам электромеханического преобразования ультразвуковых преобразователей преобразователи можно разделить на электрические, электромагнитные, магнитострикционные, пьезоэлектрические и электрострикционные.В настоящее время пьезоэлектрические преобразователи имеют наиболее обширные теоретические исследования и практические применения.
Разработка и применение пьезоэлектрических преобразователей основаны на открытии пьезоэлектрического эффекта и разработке пьезоэлектрических материалов.В 1880 году братья Кюри открыли пьезоэлектрический эффект кристаллов, но только с изобретением лампового усилителя пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрических материалов стал по-настоящему использоваться для электроакустического преобразования.Во время Первой мировой войны французский физик Ланжевен в 1916 году успешно разработал первый по-настоящему практичный пьезоэлектрический преобразователь и применил его для обнаружения подводных лодок.В преобразователе, изобретенном Ланжевеном, пьезоэлектрическая кварцевая пластина была зажата между двумя толстыми стальными пластинами. Позднее этот преобразователь нашел широкое применение в ультразвуковых детекторах.До сих пор преобразователи типа Ланжевена широко используются в силовом ультразвуке и гидроакустике.В то же время появление пьезоэлектрических преобразователей как источников высокочастотного звука сделало реальностью исследование высокочастотного звука, а также быстро расширилось применение акустики. Ультразвук, важная отрасль акустики, также быстро развивался и привлекал все больше внимания.
Быстрое развитие ультразвуковой технологии резко увеличило спрос на пьезоэлектрические кварцевые материалы, поэтому люди начали искать новые пьезоэлектрические материалы.Пьезоэлектрическая керамика — новый пьезоэлектрический материал. Его появление стало сильным конкурентом другого материала для преобразования энергии, то есть магнитострикционных материалов, и постепенно стало доминирующим материалом для преобразования энергии.В настоящее время, помимо пьезокерамических материалов, постоянно развиваются также пьезоэлектрические монокристаллы, пьезоэлектрические полимеры и пьезокомпозитные материалы, появление которых играет важную роль в разработке преобразователей.
Как упоминалось выше, среди множества типов ультразвуковых преобразователей наибольшее распространение получили пьезоэлектрические ультразвуковые преобразователи. В пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователях используются различные диэлектрики с пьезоэлектрическими эффектами, такие как кварц, пьезоэлектрическая керамика, пьезоэлектрические композиционные материалы и пьезоэлектрические пленки, для преобразования электрических сигналов в акустические сигналы или преобразования акустических сигналов в электрические сигналы, тем самым достигая преобразования энергии.Пьезоэлектрические керамические материалы в настоящее время являются наиболее часто используемыми материалами в ультразвуковых исследованиях и приложениях.К его преимуществам относятся:
(1) Эффективность электромеханического преобразования высока и обычно достигает около 80%;
(2) Легко формуется и может быть обработан в различные формы, такие как диски, кольца, цилиндры, цилиндры, прямоугольники и сферы и т. д.;
(3) Ультразвуковые преобразователи с различными свойствами могут быть получены путем изменения компонентов, таких как тип передачи, тип приема, двунаправленный тип передачи и приема и т. д.;
(4) Стоимость низкая, производительность относительно стабильная, ее легко продвигать и применять в больших масштабах.
Недостатками пьезокерамических материалов являются высокая хрупкость, низкая прочность на разрыв, сложность формования деталей большой площади, сложность обработки сверхтонких высокочастотных преобразователей.В этом отношении пьезоэлектрические пленки, такие как ПВДФ и др., обладают преимуществами, с которыми трудно сравниться с пьезоэлектрической керамикой.
Магнитострикционные материалы являются традиционными материалами ультразвуковых преобразователей. Благодаря стабильной работе они до сих пор используются в некоторых специальных областях.К преимуществам магнитострикционных преобразователей относятся стабильная работа, большая мощность и высокая механическая прочность.К его недостаткам относятся низкая эффективность преобразования энергии преобразователя, сложность схемы возбуждения и сложность обработки материалов.Благодаря широкомасштабному продвижению и применению пьезоэлектрических керамических материалов магнитострикционные материалы с течением времени продемонстрировали признаки вытеснения пьезоэлектрическими материалами.Однако с появлением некоторых новых типов магнитострикционных материалов, таких как ферриты, редкоземельные гигантские магнитострикционные материалы и материалы преобразователей феррожидкости, магнитострикционные преобразователи снова привлекли внимание людей.Ожидается, что с усовершенствованием технологии обработки материалов и снижением затрат некоторые новые магнитострикционные материалы найдут широкое применение в таких областях, как гидроакустика и ультразвук.
С развитием ультразвуковой технологии применение ультразвуковой технологии в газах становится все более распространенным.Широкое внимание также получили ультразвуковые преобразователи, работающие с воздухом.В дополнение к традиционным ультразвуковым преобразователям с воздухом, электростатические ультразвуковые преобразователи с воздухом широко используются в таких технологиях, как ультразвуковое обнаружение в газах, благодаря их характеристикам, таким как высокая частота, большое вибрационное смещение, низкий механический импеданс, большая область излучения и приема звуковых волн, а также высокая чувствительность.
1.2 Основные показатели эффективности ультразвукового преобразователя
Показатели производительности, описывающие ультразвуковой преобразователь, включают рабочую частоту, коэффициент электромеханической связи, коэффициент электромеханического преобразования, добротность, характеристики направленности, мощность передачи, эффективность, чувствительность и т. д. [21] К характеристикам различных преобразователей выдвигаются различные требования в зависимости от фактического использования и различных случаев использования. Например, требования к преобразователям, используемым в армии, отличаются от требований, применяемых в ультразвуковых измерительных приборах, а также требования к преобразователям, используемым для передачи и приема.
1.2.1 Обычно требуемые показатели производительности передающих и приемных преобразователей
1.2.1.1 Рабочая частота
Очень важен выбор рабочей частоты ультразвукового преобразователя. Это не только напрямую связано с частотными характеристиками и характеристиками направленности преобразователя, но также влияет на важные показатели производительности, такие как мощность передачи, эффективность и чувствительность преобразователя. Рабочая частота преобразователя должна соответствовать рабочей частоте всего ультразвукового оборудования.Как правило, он определяется для конкретного применения на основе технической демонстрации всего ультразвукового оборудования.
Обычно рабочая частота передающего преобразователя равна его собственной резонансной основной частоте, что позволяет получить наилучшее рабочее состояние и достичь наилучшей мощности и эффективности передачи.Рабочая частота активного ультразвукового преобразователя в приемном состоянии примерно равна рабочей частоте в передающем состоянии. Для пассивного приемного преобразователя его рабочая частота представляет собой более широкую полосу частот. В то же время резонансная основная частота самого преобразователя должна быть выше максимальной частоты полосы частот, чтобы преобразователь имел ровный отклик приема.
1.2.1.2 Система электромеханического преобразования n и коэффициент электромеханической связи k преобразователя
Коэффициент электромеханического преобразования ультразвукового преобразователя относится к отношению механической величины (или электрической величины), преобразованной в процессе электромеханического преобразования, к электрической величине (или механической величине) перед преобразованием.Для передающего преобразователя, для приемного преобразователя коэффициент электромеханического преобразования n = сила или скорость вибрации, напряжение или ток, соответствующий потенциал или ток, коэффициент электромеханического преобразования. Коэффициент электромеханической связи преобразователя силы или виброскорости представляет собой физическую величину, описывающую степень взаимодействия энергии в процессе преобразования энергии. Он определяется как для передающего преобразователя.