壓電換能器的案例
壓電換能器數值仿真 ￥1500
<p> 壓電式換能器是利用某些<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%95%E6%99%B6%E6%9D%90%E6%96%99/2436698?fromModule=lemma_inlink" rel="noopener noreferrer" target="_blank">單晶材料</a>的壓電效應和某些<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%9A%E6%99%B6%E6%9D%90%E6%96%99/9051887?fromModule=lemma_inlink" rel="noopener noreferrer" target="_blank">多晶材料</a>的電致伸縮效應來將電能與聲能進行相互轉換的器件。因其電聲效率高、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%8A%9F%E7%8E%87/808705?fromModule=lemma_inlink" rel="noopener noreferrer" target="_blank">功率</a>容量大以及結構和形狀可以根據不同的應用分別進行設計，在功率超聲領域應用廣泛。</p><p> 本案例建立了一簡化的三層壓電能換能器結構模型，模型由上至下分別為鈷酸鋰、銅箔、鈷酸鋰，此外，考慮了完美匹配層或虛構域等減少聲波反彈，基于COMSOL軟件建立了二維模型，采用彈性波和壓力聲學物理場模塊，計算了多層介質下的聲壓分布圖，如圖1所示，底部設置接收裝置，接收完整的波形信號，如圖2所示。
展開 多物理場仿真助力精確評估并優化麥克風與換能器設計
優化振動換能器的設計
除了改良麥克風設計之外，Brüel & Kj?r 的工程師還使用多物理場仿真對振動換能器設計進行優化與測試。他們的目標是創造一款擁有高內置電阻的設備，以適應惡劣的環境。為了實現這一目標，工程師必須設計出在所測振動范圍內沒有共振頻率的設備。所需振動范圍內的共振會破壞測量的準確性。
懸掛式壓電振動換能器的仿真結果。
為了保證裝置設計產生平滑的響應，研究人員嘗試了不同的材料和幾何組合。最終，通過增加一個機械濾波器，他們成功地設計了一款誤差范圍不超過 10％~12％ 的振動換能器，此數值完全在可接受的范圍內。
縮小誤差，完善測量
任何設備都不是完美的，但仿真打開了一條通向盡可能接近完美的通道。Brüel & Kj?r 的工程師可以在不同情況下迅速對新設計進行有效測試，獲得無法通過實驗確定的結果。仿真為企業提供了特別的信息優勢，不斷推出創新設計，從而在競爭中保持領先地位。
來源：COMSOL
展開 仿真助力超聲聚焦的臨床應用研究
設計無創超聲設備的換能器
超聲波擁有一大優勢：無需貫穿發射信號與目標之間的傳播路徑，就能夠到達金屬、人體器官或生物組織內部。與外科醫生使用的醫療手術刀不同，超聲波不會在患者皮膚上留下任何疤痕，它能精準地對目標組織進行治療，周圍的健康組織受損傷的風險也很低。聚焦超聲波已用于或可用于治療前列腺癌和乳腺癌、高血壓，甚至是青光眼等疾病。
根據不同的換能器設計，超聲波有幾種聚焦方式。COMSOL Multiphysics? 軟件是模擬和優化換能器的有力工具。設計一款能夠有效制造出可到達靶區的超聲場的換能器可能是一項棘手的任務。它依賴于發射信號的頻率和功率；超聲波傳播介質的衰減和吸收；當然還有換能器本身的位置和尺寸。
圖 1：超聲換能器產生的聲場示意圖。
換能器發射的信號有兩種聚焦方式：
修改換能器元件的曲率半徑，使其等于焦距（參考上方示意圖）
對平面陣列換能器施加電壓時引入相位延遲（參考下方示意圖）
圖 2：用于集中聲信號的超聲探頭示意圖，它帶有壓電換能器陣列（相控陣）。換能器由背襯材料、壓電元件以及測試樣品（此圖中為生物組織）的匹配層組成。
很多人選擇使用 COMSOL Multiphysics 對上述兩種方法進行研究。它不僅能模擬超聲傳播，還可以將超聲聚焦仿真與傳熱仿真，甚至是生物組織的損傷規律耦合在一起。利用這種方式，我們可以快速直觀地觀察聚焦效應是否能夠治愈適量的組織，并檢查凝固性壞死的位置和體積，且所有操作只在一個建模界面內完成。
模擬幾何聚焦探頭
發射器的形狀直接決定了超聲聚焦方式。“聲學模塊”中的一個相關教學案例對此現象與傳熱現象進行了良好的耦合。雖然其聲學仿真采用了一些假設，比如忽略了非線性效應和剪切波，但是它在聚焦區對探針參數的敏感性方面提供了有價值的信息。
展開 華中科大牛廣達教授Nature子刊：鈣鈦礦在光聲換能器成功應用！
鈣鈦礦導熱系數小，比熱容低(2962 J kg?1 K?1)，吸收系數高(104 — 105 cm?1)，是應用于光聲轉換器的關鍵特征，然而目前尚無報道。
光聲換能器可以提供超聲脈沖，具有廣泛的應用，從生物醫學成像、治療性消融、大腦調制到無損檢測。與傳統壓電超聲換能器（大量布線和電磁干擾）相比，光聲換能器利用激光代替電力作為驅動源，避免了電子元件組裝的復雜性，光纖發射器甚至允許介入心臟病學應用。光聲換能器依賴于復合材料，一個負責光吸收，另一個負責熱膨脹，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其高熱膨脹（β = 0.92 × 10?3 K?1）和光學透明度而專門用作熱膨脹層，這使得可以使用可見激光進行激發，并使用類似于水的聲阻抗來減少界面上的超聲損耗。在光吸收方面，碳材料，包括蠟燭煙塵顆粒、碳納米管（CNTs）和碳納米纖維，由于吸收系數大和熱容量低而被廣泛使用。最先進的光聲換能器利用碳納米管和PDMS的復合材料，實現了?6 dB帶寬為39.8 MHz，峰值頻率為28.5 MHz，超聲峰峰值幅度為~2.72 MPa。上述聲壓和帶寬仍落后于傳統壓電轉換器。因此，光聲換能器的主要挑戰是同時實現寬帶寬和高聲壓，這是高分辨率超聲成像的兩個決定性標準。
圖 1. 基于鈣鈦礦的光聲換能器。a 光聲換能器和表征系統的示意圖。b 聲場的模擬分布。c 實驗測量的光聲換能器的聲波（黑色曲線）和頻譜（紅色曲線）。
圖 2. MAPbI3的熱性能分析。a 光聲換能器的機制。b 測量的鈣鈦礦和其他代表性吸收劑的比熱容。c 測量的不同光吸收材料的熱擴散系數。d MAPbI3內發熱過程的示意圖。e MAPbI3的計算聲子譜。f 聲子譜的態密度。
圖3. PDMS層厚度對波傳播的影響。
展開 
超聲聚焦的仿真研究
臨床應用中的超聲換能器（上圖）幾個重要因素包括：
近場距離 N，計算公式為：
(1)
D 是換能器直徑
f 是頻率
c 是介質中的聲速
焦距 F，即換能器與相當于目標區的聚焦點之間的距離
場深或聚焦區，它表示 -6dB 信號的幅度與最高幅度之間的差距，計算公式為：
(2)
換能器發射的信號有兩種聚焦方式：
修改換能器元件的曲率半徑，使其等于焦距（參考上方示意圖）
對平面陣列換能器施加電壓時引入相位延遲（參考下方示意圖）
圖 2：用于集中聲信號的超聲探頭示意圖，它帶有壓電換能器陣列（相控陣）。換能器由背襯材料、壓電元件以及測試樣品（此圖中為生物組織）的匹配層組成。
很多人選擇使用 COMSOL Multiphysics 對上述兩種方法進行研究。它不僅能模擬超聲傳播，還可以將超聲聚焦仿真與傳熱仿真，甚至是生物組織的損傷規律耦合在一起。利用這種方式，我們可以快速直觀地觀察聚焦效應是否能夠治愈適量的組織，并檢查凝固性壞死的位置和體積，且所有操作只在一個建模界面內完成。
模擬幾何聚焦探頭
發射器的形狀直接決定了超聲聚焦方式。“聲學模塊”中的一個相關教學案例對此現象與傳熱現象進行了良好的耦合。
展開 聲學仿真職位合集丨最高年薪60W，滴滴、美的、立訊等企業...
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聚融醫療
杭州 · 聲學工程師
10-15K · 15薪
工作內容
1.負責壓電換能器的結構設計及相關驗證方案；
2.負責指導壓電換能的生產工藝制定，確保設計結構的合理性和生產過程的可控性；
3.負責壓電換能器設計開發過程中的相關資料編制。
要求
1.聲學、壓電學和壓電換能器設計等相關專業，具備扎實的專業理論知識；
2.能熟練應用Matlab、Comsol等相關設計和仿真軟件；
3.具備較強的跨學科自主學習能力，擁有電子電路設計、材料學、機械設計等學習或工作經歷者優先考慮；
4.英語6級及以上，能熟練讀寫英文文獻；
5.發表過相關英文論文或從事過相關項目開發者優先考慮。
公司介紹
聚融醫療科技（杭州） 有限公司是一家醫學影像設備公司，公司以醫學超聲特殊應用，新超聲成像算法，高端換能器，CAD（Computer Aided Diagnostics）為發展方向，是一家中外合資的創新創業醫學影像設備公司，公司獲得了杭州海外高層次人才項目資助，浙江省科技廳“科技創新載體”，行業頂級風險基金的投資，核心管理人員具有 10 年以上的醫學影像設備研發，銷售經驗。
展開 激光全息無損檢測技術
01
聲加載
聲加載是以聲頻和中等的超聲頻進行的（通常低于100kHz），加載方法是把壓電換能器粘貼在被檢工件表面上，在工件中建立起共振板模式。當需要大幅度振動的情況下，換能器可通過一個實心的指數曲線形喇叭（聲變換器）機械地耦合到一個點上，壓電換能器裝在半徑較大的一端，半徑較小的一端壓向工件。這種單點激勵法也可使整個工件建立起共振，因此，可同時檢查整個表面的物理特性和探出缺陷。
02
熱加載
這種方法是對物體施加一個溫度適當的熱脈沖，物體因受熱而變形，內部有缺陷時，由于傳熱較慢，該局部區域比缺陷周圍的溫度高。因此，造成該處的變形量相應也較大，從而形成缺陷處相對于周圍的表面變形有了一個微差位移。
展開 MEMS行業應用案例
1、MEMS建模與仿真
強耦合仿真計算
?傳熱+結構力學耦合
–熱膨脹、熱應力
–熱驅動設備
?靜電+結構力學
–靜電驅動
–壓電效應
–壓阻效應
?電流-傳熱-結構力學
–焦耳熱、熱膨脹
–熱電效應
–熱-彈性阻尼
?電學-聲學-結構力學
–壓電換能器
–振動聲學、聲壓分布
?RLC電路耦合接口
2、熱結構耦合
? 機械結構+熱效應
–熱驅動設備
–結構振動器件
–熱應力分析
–接觸分析
–預應力分析
?求解類型
–靜力學分析
? 線性和非線性
–瞬態分析
–超單元分析
3、壓電分析（電學+力學）
? 壓電設備
– 壓電效應&逆壓電效應
? 傳感器、執行器
? 陀螺儀、加速度計
– 復雜接觸
– 預應力分析
– 電極特征（耦合RLC器件）
? 求解類型
– 靜力學分析
– 模態分析
– 諧波分析
– 瞬態分析
4、特點介紹
軟件主要特點：
邊界元法（BEM）
外界無限電介質
FEM/BEM 強耦合
線性單元& 二次單元
對稱和反對稱平面
外界電勢點顯示
線性靜態預加應力
科里奧利效應
電偶極子
電極上總電荷計算
…
?模擬能力
–3D耦合分析
–機械、介電、壓電
?約束
–電(等勢面、外加電壓… )
–機械 (固定端約束、鉸鏈支座約束、施加位移… )
?載荷
–電(分布電荷… )
–機械(體積力、科里奧利力、壓力… )
展開 濾筒除塵器能自己換嗎？
3、這樣就能看見里面有個長方形的小蓋板，打開兩側的鎖扣打開小蓋板就能看見濾芯了，進行更換就可以了。
清洗方法，避免了除塵過程中的“再吸附”現象，這樣將二次除塵。作為除塵器的關鍵部件，除塵濾筒的質量直接影響著除塵器的除塵效率。
不過伴隨著濾筒的長時間過濾，附著在其表面的灰塵愈來愈多，這些沉積的灰塵會將過濾孔徑堵死，除塵器的清灰系統也無法將這些灰塵清理干凈，這樣除塵器的除塵效果會明顯下降。因此，除塵器的使用者需要對除塵濾芯濾筒進行更換，不過更換時要注意以下事項：
1除塵濾筒是以硬質濾料折疊而成，表面有一層覆膜，易受外部壓力的擠壓產生損壞；更換濾筒時請輕拿輕放，不要敲擊濾筒也要防止其跌落地面，產生損傷，發生漏氣現象。
2濾筒更換無需輔助工具，先打開除塵器檢修門的卡緊裝置，待除塵濾芯濾筒更換完畢后，重新卡緊即可。
3更換臟濾筒時，動作幅度要輕，以防止產生灰塵四散的情況；新濾筒放入之前，先把過濾室散落的灰塵清理干凈。
4更換下來的臟濾筒不要隨意拆卸和丟棄，可提前準備好垃圾袋，把替換下來的臟濾筒放入垃圾袋中運走處理，以減少對周邊環境的污染
除塵器是一種構造較為簡單的工業設備，但是，除塵濾芯濾筒的更換也無需技術人員操作，只要遵守以上幾點，新手小白也可以進行更換，還不耽誤生產時間，方便又便捷。
展開 濾筒除塵器能自己換嗎？
3、這樣就能看見里面有個長方形的小蓋板，打開兩側的鎖扣打開小蓋板就能看見濾芯了，進行更換就可以了。
除塵濾芯濾筒是一種用來進行過濾的筒狀元件，一般分為過濾氣體介質的濾筒和過濾液體介質的濾筒，通常我們所指的濾筒大多是用來過濾氣體的，稱之為空氣濾筒（以下簡稱濾筒）。濾筒屬于表面過濾元件，它是利用濾材表面形成的微小透氣組織阻擋掉氣體中的粒狀物質。
濾芯濾筒采用的是離線三態過程，分別是：過濾、清洗、靜態清洗方法，避免了除塵過程中的“再吸附”現象，這樣將二次除塵。作為除塵器的關鍵部件，除塵濾筒的質量直接影響著除塵器的除塵效率。
不過伴隨著濾筒的長時間過濾，附著在其表面的灰塵愈來愈多，這些沉積的灰塵會將過濾孔徑堵死，除塵器的清灰系統也無法將這些灰塵清理干凈，這樣除塵器的除塵效果會明顯下降。因此，除塵器的使用者需要對除塵濾芯濾筒進行更換，不過更換時要注意以下事項：
1、除塵濾筒是以硬質濾料折疊而成，表面有一層覆膜，易受外部壓力的擠壓產生損壞；更換濾筒時請輕拿輕放，不要敲擊濾筒也要防止其跌落地面，產生損傷，發生漏氣現象。
2、濾筒更換無需輔助工具，先打開除塵器檢修門的卡緊裝置，待除塵濾芯濾筒更換完畢后，重新卡緊即可。
3、更換臟濾筒時，動作幅度要輕，以防止產生灰塵四散的情況；新濾筒放入之前，先把過濾室散落的灰塵清理干凈。
4、更換下來的臟濾筒不要隨意拆卸和丟棄，可提前準備好垃圾袋，把替換下來的臟濾筒放入垃圾袋中運走處理，以減少對周邊環境的污染
雖然除塵器是一種構造較為簡單的工業設備，但是，除塵濾芯濾筒的更換也無需技術人員操作，只要遵守以上幾點，新手小白也可以進行更換，還不耽誤生產時間，方便又便捷。
展開 除塵器濾筒能自己換嗎？
作為除塵器的關鍵部件，除塵濾筒的質量直接影響著除塵器的除塵效率。
不過伴隨著濾筒的長時間過濾，附著在其表面的灰塵愈來愈多，這些沉積的灰塵會將過濾孔徑堵死，除塵器的清灰系統也無法將這些灰塵清理干凈，這樣除塵器的除塵效果會明顯下降。因此，除塵器的使用者需要對除塵濾芯濾筒進行更換，不過更換時要注意以下事項：
1、除塵濾筒是以硬質濾料折疊而成，表面有一層覆膜，易受外部壓力的擠壓產生損壞；更換濾筒時請輕拿輕放，不要敲擊濾筒也要防止其跌落地面，產生損傷，發生漏氣現象。
2、濾筒更換無需輔助工具，先打開除塵器檢修門的卡緊裝置，待除塵濾芯濾筒更換完畢后，重新卡緊即可。
3、更換臟濾筒時，動作幅度要輕，以防止產生灰塵四散的情況；新濾筒放入之前，先把過濾室散落的灰塵清理干凈。
4、更換下來的臟濾筒不要隨意拆卸和丟棄，可提前準備好垃圾袋，把替換下來的臟濾筒放入垃圾袋中運走處理，以減少對周邊環境的污染
雖然除塵器是一種構造較為簡單的工業設備，但是，除塵濾芯濾筒的更換也無需技術人員操作，只要遵守以上幾點，新手小白也可以進行更換，還不耽誤生產時間，方便又便捷。
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案例39-引線鍵合超聲換能器
該示例問題模擬用于引線鍵合應用的超聲換能器的電激勵。該模型包括壓電材料定義、預應力模態和諧波響應分析。
介紹
引線鍵合是使用精細金屬（如金或鋁）線在集成電路（IC）及其封裝之間創建互連的最常用的工藝。在楔形鍵合中，施加超聲波能量、壓力和熱量以形成鍵合；該方法避免了雜質的引入，并提供了材料選擇的靈活性。對于較大直徑的電線，頻率通常在50-60kHz左右，而對于較小直徑的電線來說，頻率更高，高達200kHz。
換能器的設計包括檢查與其縱向運動相關的固有頻率。例如，幾何形狀的變化會影響設備的振動和電氣特性。
在壓電陶瓷中，施加的電壓在材料中引起應變（位移），反之亦然，證明電場和結構場的耦合。壓電陶瓷在拉伸時非常脆，因此需要預加載以使陶瓷在操作中保持壓縮應力狀態。
問題描述
下圖顯示了本例中使用的超聲波換能器：
粘合工具由氧化鋁制成，顯示在最左側。它通過小螺釘（未建模）連接到鈦喇叭。喇叭連接到壓電驅動器組件。驅動器組件由夾在鋁前板和背板之間的壓電環組成，通過提供預應力的鋼螺栓連接在一起。傳感器通過鋼支架安裝在機器上。
支架應放置在傳感器的節點處，以獲得最佳性能。在沒有支架的情況下進行模態分析，并確定第一縱向模態。
如下圖所示，輪廓范圍為-1至1的z位移圖提供了定位支架的適當位置：
建模
傳感器的三維模型在ANSYS DesignModeler中創建，并在ANSYS Mechanical中進行網格化，如下圖所示：
壓電單元用SOLID226劃分網格，其他部分用SOLID186和SOLID187單元劃分網格。單元總數為67756，節點總數為115414。
耦合場單元SOLID226支持許多物理類型。在這種情況下，KEYOPT（1）＝1001指定壓電行為。
展開 北航馮林課題組《Lab on a chip》封面文章：基于多模態聲驅微氣泡的多功能微對象操控研究
圖二聲驅微氣泡的理論模態與有限元仿真結果
基于所設計結構內氣泡界面的相對靈活性，該裝置可以在僅調節驅動頻率而不改變壓電換能器數量與氣泡陣列設計的情況下切換微型氣泡的振蕩模式，進而實現對單獨或群體生物樣本的多功能操控（圖三）。由于聲場的驅動特性，該裝置可以有效操控幾微米到幾百微米的不同生物樣本，包括微顆粒、細胞、綠眼蟲、螺旋藻等。此外，利用平面外旋轉模式的運動特點，研究團隊實現了對細胞樣本的三維重建，從而實現多視角的形態學復現與基本參數的測量估計。該系統所提出的聲學操控方式具有多功能性、可控性、高效性以及良好的生物兼容性，在進一步促進細胞研究和治療等應用層面具有很大潛力。
圖三不同控制模態下微對象的運動及定量分析
該項研究成果獲得國家重點研發計劃(No. 2019YFB1309700)及北京新星科技計劃項目(No. Z191100001119003)支持，以“Versatile acoustic manipulation of micro-objects using mode-switchable oscillating bubbles: transportation, trapping, rotation, and revolution”為題發表于國際期刊《Lab on a chip》。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D1LC00628B
展開 Comsol多場耦合應用-超聲波換能器
1、模型簡介：本模型為超聲波換能器，重點講解了模型物理場的設置和邊界的加載以及對結果后處理的一些技巧。
視頻鏈接：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10148
2、聲壓級隨著號筒口寬度變化如下圖所示：
3、本模型主要用到了壓力聲學、固體力學和靜電三個物理場，操作界面如下：
基于comsol的曲面換能器激發表面波仿真 ￥1870
</p><p><br></p><p> 我們采用一個曲面換能器對金屬表面聚焦，激發向前傳播的表面波，并完成對裂紋的反射和散射。</p><p><br></p><p> 在裂紋附近設置一個探針，探測的波形如下 。<br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202009/2ea0381f0aa84397a85d4200b2a7130b.png" style="width: 340px; height: 193px;" width="340" height="193" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202009/2ea0381f0aa84397a85d4200b2a7130b.png?image_process=/format,webp" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202009/2ea0381f0aa84397a85d4200b2a7130b.png?
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