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Janus-Helmholtz换能器的振动模态谐振频率理论分析研究

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物理学报 2024年第3期73卷 143-152页

作者：张羿双桑永杰陈永耀吴帅哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室哈尔滨150001 海洋信息获取与安全工业和信息化部重点实验室(哈尔滨工程大学) 哈尔滨150001 哈尔滨工程大学水声工程学院哈尔滨150001 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心青岛266000

Janus-Helmholtz换能器利用驱动振子纵向谐振与Helmholtz谐振腔的液腔谐振耦合,具有大功率、宽带声发射特性.传统观点认为导纳曲线中低频谐振峰对应液腔谐振频率,而高频谐振峰对应纵振动谐振频率,然而大量的实验研究发现该结论存疑.本... 详细信息

Janus-Helmholtz换能器利用驱动振子纵向谐振与Helmholtz谐振腔的液腔谐振耦合,具有大功率、宽带声发射特性.传统观点认为导纳曲线中低频谐振峰对应液腔谐振频率,而高频谐振峰对应纵振动谐振频率,然而大量的实验研究发现该结论存疑.本文结合一只Janus-Helmholtz换能器实验样机的实验结果,运用等效电路法结合有限元法分析并求解了驱动振子纵向模态的谐振频率,使用有限元法分析并求解了Helmholtz谐振腔的液腔谐振频率.研究结果表明,与传统观点相反,导纳曲线中第1个谐振峰为驱动振子的纵向谐振,第2个谐振峰为Helmholtz谐振腔的液腔谐振;Janus换能器4个大尺寸辐射面带来的可观辐射质量是造成纵向振动谐振频率在水中大幅度下降的原因;Janus-Helmholtz换能器中存在两个等体积的Helmholtz共振腔而非传统认为的仅存在一个共振腔.这些结论对于正确认识Janus-Helmholtz换能器的结构及性能特性起到了正本清源的作用,也为优化创新该换能器的结构、改善换能器的声发射特性提供了技术支撑.

关键词： Janus-Helmholtz换能器谐振频率等效电路法辐射质量

谐振管对开口式热声发生器声学性能的影响研究

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华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第1期52卷 14-19页

作者：吴殿伟谢秀娟杨少柒中国科学院理化技术研究所航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

在传递矩阵模型中引入开口端非线性耗散模型对开口式行波热声发生器理论建模,得到了开口端阻抗实部、开口处体积流率及受末端几何形状影响的压力损失系数之间的关系.对系统谐振频率、内部压力幅值和出口外1 m处声压级的声学特性参数进... 详细信息

在传递矩阵模型中引入开口端非线性耗散模型对开口式行波热声发生器理论建模,得到了开口端阻抗实部、开口处体积流率及受末端几何形状影响的压力损失系数之间的关系.对系统谐振频率、内部压力幅值和出口外1 m处声压级的声学特性参数进行了理论分析,并对不同谐振管尺寸和不同锥管锥度进行了实验研究.分析讨论了谐振管长度和直径对系统谐振频率的影响,结果表明:理论模型可以反映谐振管尺寸对谐振频率的影响,计算值与实验值的误差小于5%.锥管可以有效减小开口端的能量损耗,进而显著提高热声装置内部的压力幅值和出口外1 m处声压级,在谐振管直径为46 mm、长度为730 mm及40°锥管情况下,出口外1 m处声压级可以达到110.2 dB.

关键词：开口式行波热声发生器谐振管谐振频率声压级压力损失系数

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半导体激光器速率方程的参数提取(特邀)

光子学报 2022年第2期51卷 72-79页

作者：王建坤黄永光刘祎慧中国科学院半导体研究所材料重点实验室北京100083 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 低维半导体材料与器件北京市重点实验室北京100083

重新评估了常见半导体激光器参数提取方法中近似条件的适用性,提出更加通用的方程进行半导体激光器速率方程的参数提取。以分布式反馈激光器芯片为例,利用小信号频率响应曲线(S21)准确提取了半导体激光器谐振频率fr与阻尼因子γ,结合激... 详细信息

重新评估了常见半导体激光器参数提取方法中近似条件的适用性,提出更加通用的方程进行半导体激光器速率方程的参数提取。以分布式反馈激光器芯片为例,利用小信号频率响应曲线(S21)准确提取了半导体激光器谐振频率fr与阻尼因子γ,结合激光器的光功率-电流(P-I)响应曲线,即可计算出半导体激光器速率方程的各个参数。对比之前的参数提取近似计算方法,本方法适用的激光器驱动电流范围更宽,大电流下谐振频率fr等参数的提取更精确,对宽工作电流工作的激光器如模拟激光器等的优化改进有借鉴意义。

关键词：光纤通信分布反馈激光器半导体激光器速率方程参数提取谐振频率

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圆弧螺旋型压电能量收集器的有限元模型研究

仪器仪表学报 2023年第3期44卷 146-154页

作者：齐炫凯仇超群王子杰王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了分析圆弧螺旋型压电能量收集器的振动特性和输出特性,本文提出了一种有限元模型,可以在简化模型的同时改善结果的精度。对近似前后的圆弧型压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了圆弧螺旋型能量收集器的谐振频率、输出电压... 详细信息

为了分析圆弧螺旋型压电能量收集器的振动特性和输出特性,本文提出了一种有限元模型,可以在简化模型的同时改善结果的精度。对近似前后的圆弧型压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了圆弧螺旋型能量收集器的谐振频率、输出电压与输出功率。将圆弧型悬臂梁进行有限元分割成6~16个矩形结构悬臂梁,并对不同程度的有限元近似下圆弧螺旋能量收集器的谐振频率与输出性能进行分析,结果表明在有限元个数大于等于10时,谐振频率与输出性能相对误差较小。加工制备了2π圆弧螺旋型压电振动能量收集并进行了性能测试。测试结果表明螺旋能量收集器谐振频率为158 Hz,采取10边型有限元模型的理论谐振频率为153 Hz,相对误差为3.5%;最大输出功率的测试结果为53.5μW,最大输出功率的理论结果为55.2μW,相对误差为3.18%,理论结果与测试结果较为符合。

关键词：圆弧螺旋压电能量收集有限元模型谐振频率输出性能

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宽增益高效率LLC谐振变换器拓扑

电力系统保护与控制 2023年第3期51卷 99-107页

作者：夏潇龚春阳包俊朱国忠王志新上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200240 上海电力大学上海200090 上海禧龙科技股份有限公司上海201517 上海正泰电源系统有限公司上海200210

针对LLC谐振变换器增益负载敏感性强、与效率存在强耦合的不足,提出了一种由LLC谐振变换器和两开关buck-boost构成的宽增益高效率LLC谐振变换器拓扑。通过采用输入并联与输出串联的方式,分别由LLC谐振变换器传输功率、buck-boost调节输... 详细信息

针对LLC谐振变换器增益负载敏感性强、与效率存在强耦合的不足,提出了一种由LLC谐振变换器和两开关buck-boost构成的宽增益高效率LLC谐振变换器拓扑。通过采用输入并联与输出串联的方式,分别由LLC谐振变换器传输功率、buck-boost调节输出电压。其中,LLC谐振变换器运行于谐振频率,buck-boost采用PWM调节输出电压。分析了变换器的运行模式,给出了相应的参数设计方法,并进行了仿真验证。最后,对输入30 V、输出200~360 V、360 W样机进行了实验,实验样机增益范围和效率分别为6.67~12、97.4%。仿真与样机实验验证了所提出的宽增益高效率LLC变换器拓扑及其调制方法的有效性。

关键词：宽增益高效率 LLC谐振变换器谐振频率两开关buck-boost

针对不同形状和尺寸陶瓷材料的双频自适应微波介电传感器

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硅酸盐学报 2023年第4期51卷 842-850页

作者：王宸刘小明刘志甫张丹安徽师范大学物理与电子信息学院安徽芜湖241002 中国科学院上海硅酸盐研究所上海201899

陶瓷材料作为在微波系统开发中的重要材料,通常被加工成多种形状,例如以厘米级别为尺寸的圆柱形和立方体。因此,对此类样品进行介电常数的测量是一项具有挑战性的工作。针对该难点,研制了1种基于互补开口环谐振器的双波段介电传感器,并... 详细信息

陶瓷材料作为在微波系统开发中的重要材料,通常被加工成多种形状,例如以厘米级别为尺寸的圆柱形和立方体。因此,对此类样品进行介电常数的测量是一项具有挑战性的工作。针对该难点,研制了1种基于互补开口环谐振器的双波段介电传感器,并提出了一种表征不同形状和尺寸样品的介电测量方法。该传感器有2个工作频段,2个频段均为无线通信频带。在每个频段范围内,进行了数值模拟并建立了每个样本的拟合模型,对传感器进行加工并实际测量以验证数值模型和测量精度,对比参考值,测量精度高达3.5%。结果表明:提出的传感器及测量方法能够针对不同形状和尺寸的合成陶瓷进行精确的介电测量,表明该传感器具有良好的样品自适应性。该传感器的新颖之处在于它能够在不改变传感器和被测物结构的情况下测量厘米级别的各种样品的介电常数。此外,双频测量也是该传感器的优势,2个频段之间的差异小于5%。

关键词：微波陶瓷介电常数双频带谐振频率互补开口环谐振器

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超声喷丸换能器的高电压阻抗匹配设计

振动.测试与诊断 2023年第5期43卷 880-885,1035页

作者：施陆锴芦小龙李武琴钱丰曹达李华峰南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

研究了超声喷丸换能器在不同电压下的阻抗特性,设计了针对高电压驱动工况的阻抗匹配方法。首先,采用功率放大器和示波器获取高电压下换能器两端的电压、电流以及相位差,计算得到阻抗特性曲线;其次,以工作频率下的阻抗为基准,计算并联匹... 详细信息

研究了超声喷丸换能器在不同电压下的阻抗特性,设计了针对高电压驱动工况的阻抗匹配方法。首先,采用功率放大器和示波器获取高电压下换能器两端的电压、电流以及相位差,计算得到阻抗特性曲线;其次,以工作频率下的阻抗为基准,计算并联匹配和串联匹配时的电感值,通过对比优选负载电路呈纯阻性的匹配方式,实现有功功率的最大化;最后,将匹配电路结合自制的驱动电源设计了超声喷丸成形驱动系统,利用激光位移传感器对比了匹配前后喷丸枪撞针振幅的变化。结果表明,当以2.6 mH电感串联匹配时测得接入匹配电路后喷丸撞针冲击振幅由2.7 mm升至4.9 mm,验证了所提匹配方法的有效性。

关键词：超声喷丸换能器谐振频率阻抗特性匹配电路

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谐振频率法测量高频变压器短路电感参数

海军工程大学学报 2022年第3期34卷 13-19页

作者：翟小飞李鑫航刘金利李配飞彭之然海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉430033

串联谐振逆变电路中谐振频率与谐振电容和谐振电感具有严格的数学关系,根据该电路在高频变压器短路工况下的谐振频率,可以计算出高频变压器短路电感。基于此,提出了一种根据串联谐振逆变电路中的谐振频率计算高频变压器漏抗,并在线监测... 详细信息

串联谐振逆变电路中谐振频率与谐振电容和谐振电感具有严格的数学关系,根据该电路在高频变压器短路工况下的谐振频率,可以计算出高频变压器短路电感。基于此,提出了一种根据串联谐振逆变电路中的谐振频率计算高频变压器漏抗,并在线监测高频变压器状态的方法。分析了电路的4种工作模态,给出了高频变压器短路条件下串联谐振电路等效电路模型,并推导了高频变压器短路电感计算公式。试验平台的测试结果表明:采用谐振频率法计算出高频变压器短路电感与专用的仪器测试结果较为接近。同时,将谐振电流整形为方波信号并根据方波实时检测谐振频率,可以作为谐振回路器件尤其是高频变压器出现异常变化的一种状态监测方法。

关键词：高频变压器短路电感串联谐振谐振频率单相全桥逆变电路

铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器

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声学学报 2023年第1期48卷 93-101页

作者：赵佳恒莫喜平柴勇刘永平王敬民蒋成保中国科学院声学研究所北京100190 中国科学院大学北京100049 空天先进材料与服役教育部重点实验室北京航空航天大学材料科学与工程学院北京100191 北京海洋声学装备工程技术研究中心北京100190

针对深水、低频、宽带换能器的技术需求,结合Janus-Helmholtz换能器的结构特点和铁镓单晶材料低场应变大及机械强度高的特性,提出了铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器设计方案。采用永磁偏磁场和环形闭合磁路,建立了一系列铁镓单晶磁致伸... 详细信息

针对深水、低频、宽带换能器的技术需求,结合Janus-Helmholtz换能器的结构特点和铁镓单晶材料低场应变大及机械强度高的特性,提出了铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器设计方案。采用永磁偏磁场和环形闭合磁路,建立了一系列铁镓单晶磁致伸缩换能器理论分析模型,包括对磁致伸缩材料参数进行线性化处理,设计了换能器最佳工作点,结合静态磁场和动态磁场分布情况分段细化换能器驱动等效参数,以及利用全阻抗模型通过电感损耗等效计算换能器静态阻抗,然后通过二维有限元分析等效模型,优化分析了换能器的结构参数与电声性能。最后制作了换能器样机,并进行了测试与分析。对比仿真和测试结果表明:全阻抗模型得到的阻抗曲线与样机测试结果相一致,有限元等效模型计算的发送电流响应与样机测试结果良好吻合。换能器样机水中谐振基频为1000 Hz,谐振频率下发送电流响应176.4 dB;在875~2300 Hz频率范围内,发送电流响应起伏不大于6 dB;增加驱动电流有效值到16.2 A,最大声源级可以达到196.2 dB。

关键词：磁致伸缩换能器磁致伸缩材料电流有效值等效模型宽带换能器单晶材料等效参数谐振频率