针对偏远地区及特殊场景下的低功耗无线传感节点电源维护不易的问题, 该文对一种基于流激振荡现象的流体动能收集技术进行了研究, 结合压电技术可实现流体动能转换至电能的过程。通过对流激振荡现象进行数值模拟及实验研究, 分析了空腔结构中的流场及声场分布特性, 探究了流体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。利用COMSOL软件对声电转换过程进行仿真, 实现了完整的流体动能-电能的转换过程。研究结果表明, 在一定的速度条件下存在频率稳定的声振荡区间, 可驱动压电换能装置输出频率稳定的电压, 当气体流速为30.5 m/s时(相当于高压输气管道的流速范围), 声场压力振幅可达6.12 kPa, 对应的输出开路电压为2.62 V。当外接15 kΩ电阻时, 最高输出功率可达0.29 mW。

为突破压电式雨量传感器在小雨滴粒径方面的检测精度, 该文提出了一种新型的换能器设计结构。在传统换能器结构四周增加压电双晶片的外围结构, 通过ANSYS瞬态分析法分别对中心弧形结构、外围压电双晶片、压电纤维复合材料及压电纤维复合材料双晶片等结构在不同冲击位置的电压进行仿真分析, 同时对压电纤维复合材料双晶片因不同水膜厚度引起的阻抗特性进行仿真分析, 最后验证了仿真结构的有效性。结果表明, 该研究对于新型雨量传感器提高雨滴检测的灵敏度, 实现新型雨量传感器关键技术突破起到了一定支撑作用。

针对超声耦合无线电能传输系统研究的需要, 对水下超声耦合无线电能传输系统发射换能器进行选型, 确定换能器类型及工作频率。基于夹心式纵振压电换能器一维设计理论对发射换能器进行优化设计, 在深入分析圆锥形前盖板延展系数对换能器振速比和等效机电耦合系数影响的基础上, 选取的延展系数能同时兼顾换能器振速比和等效机电耦合系数均为较优值, 并据此进一步确定换能器全部结构尺寸。实际测试结果表明, 试制的发射换能器实际谐振频率为38.552 kHz, 等效机电耦合系数为0.149, 满足实际需要。

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在海洋学中应用广泛, 是目前最主要的流速流量测量设备, 其关键部件是压电换能器, 用以发射和接收声学信号。该文结合ADCP仪器自身的发展, 梳理了ADCP压电换能器及其阵列的研究进展, 并对压电换能器及ADCP的校准方法进行简要概述。

目前通过导纳圆获取压电换能器等效参数的方法较复杂, 导致阻抗分析仪成本高,结构复杂,体积大及便携性差。为了更简单准确地测量压电换能器的等效参数, 该文从压电换能器等效电路出发, 提出了两种通过给定4个特定频率即可直接推导出换能器等效参数的方法。方法一的算法简单, 只需测量4个特定频率下换能器两端电压、电流有效值; 方法二需要在此基础上获得电压、电流的相位差。通过仿真分析结果表明, 方法一的测量误差较大; 方法二与阻抗分析仪PV520A测量结果相比其误差小于1.5%, 测量精度较高。

针对橡胶等难切割材料的加工问题, 该文设计了一种基于夹心式压电换能器的超声刀。根据振动及波动理论设计了夹心式压电换能器及其变幅杆。利用有限元分析软件ANSYS 14.0对超声刀进行了模态分析, 得到了超声刀工作模态的谐振频率。最后搭建实验测试平台, 通过实验测出了样刀的谐振频率, 并进行了功率和切割效果测试。实验结果表明, 随着负载的增加, 超声刀的功率呈线性变化, 且负载相同时, 输出功率随驱动电流的增大而增大, 参考电流分别为200 mA、250 mA、300 mA时, 对应切割7张纸的功率分别为3.7 W、4.1 W、5.9 W, 功率特性良好。与普通刀具相比, 超声刀切割时, 切口更光滑整齐, 切割效果良好。

为了解决电容管电调滤波器插入损耗大的问题, 该文设计了一款以压电换能器为电调元件、介质基片为微扰片的七阶平行耦合线电调滤波器。采用高频结构仿真器(HFSS)和先进的设计系统(ADS)对滤波器的结构参数进行联合仿真和优化, 分析了滤波器的耦合系数和外部品质因数随微扰片间距变化的关系。将氧化铝陶瓷基板、压电换能器(PET)和微带滤波器组装在一起构成压电换能器电调滤波器, 并用网络分析仪测量滤波器在不同直流电压下的S参数。测量结果表明, 中心频率调谐范围为4.38~4.78 GHz时, 通带的反射损耗大于10 dB, 插入损耗小于1.5 dB, 达到了设计要求。

设计了一种超声悬浮轴承用新型径向挤压式压电换能器, 用于验证超声波轴承径向共振频率理论计算的正确性。基于弹性理论、压电方程和机电类比原理, 建立压电换能器机电等效电路图, 理论推导出了压电换能器径向振动的共振频率方程; 然后, 应用Matlab软件计算出了压电换能器的共振频率。采用有限元软件对已知结构尺寸的换能器进行模态分析, 计算出压电换能器所需振型及该振型下的共振频率, 数值仿真分析了换能器结构尺寸对换能器共振频率和径向振幅的影响。最后, 设计了 一台样机, 从理论、仿真及实验三方面对其共振频率进行验证。实验结果显示: 换能器径向振动共振频率的理论值与实验结果相对误差为5.89%, 仿真值与实验结果误差为3.53%。实验结果证明了理论计算方法的正确性, 为压电挤压换能器的设计提供了理论依据。

为测量压电换能器在快速交变电场驱动下的实际伸长变化，提出一种基于调频激光自外差信号解调技术的测量方法。该方法通过外差技术实现信号频谱搬移,避免了光电探测器接收时低频噪声的干扰，准确地获得了压电换能器端面速度的傅里叶谱；对傅里叶谱进行分析，从而获得压电换能器端面的速度曲线；对速度曲线积分，得到了伸长曲线。实验结果表明，基于调频激光调制解调技术测量压电换能器伸长曲线具有方法简单、信号质量好、精度和灵敏度高且误差小等优点。

为获得高效的合成孔径激光雷达信号, 提出一种通过精密控制谐振腔提高激光线性调频信号有效功率的方法, 并描述了激光器的调频实现。首先, 分析驱动信号获得其傅里叶谱, 获知调腔信号有效功率低的原因在于调腔器件对信号高次谐波响应较差; 通过在谐振腔驱动电路中引入了高次谐波响应模块, 最终有效地减小了信号调频波形下降沿, 提高了合成孔径激光雷达信号的有效功率。对所获得的调频信号性能指标进行了测试, 结果表明, 调频周期为1 ms时, 调频带宽达到了789 MHz, 信号功率中有用功率由72%提高到92%以上。