夹心式低频超声换能器设计

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1、第33卷第7期四川兵工学报2012年7月【光学工程与电子技术】夹心式低频超声换能器设计曾一平，李剑，刘瑜，彭炯(第二炮兵工程大学，西安710025)摘要：针对夹心式换能器的设计问题，分析推导了夹心式换能器常用的4种设计方法，即解析法、等效电路法、传输矩阵法和有限元法，并比较分析了这些设计方法的特点和适用范围。为简化设计，提出了设计系列化的思路和用设计方法本身统一各元件性能参数表达式等问题，并找出了影响设计精度的原因。关键词：夹心式换能器；解析法；等效电路法；传输矩阵法；有限元法中图分类号：TB552文献标识码：A文章编号：1006—0707(2012)07—0120—0

2、4对于纯粹的压电陶瓷元件来说，要得到共振频率在50kHz以下的振子，沿其极化方向的厚度应为4cm以上。这样1解析法厚的振子，内部阻抗太高，而且烧成和极化工艺都较困难。为了克服这一困难，常采用一种在压电陶瓷圆片的两端面夹依据一维细棒振动原理，列出每个振动元件的波动方以金属块而组成的夹心式压电陶瓷换能器⋯，图1所示该换程，写出通解，利用边界条件确定出方程中的待定系数，再利能器主要由中央压电陶瓷片、前后金属盖板、预应力螺栓、金用连续性条件解方程组可导出换能器的频率方程等各性能属电极片以及预应力螺栓绝缘套管等组成。参量的解析表达式。在图2所示换能器的简化模型中，I，2，3分别表

3、示换能后盖板绝缘管电极片压电陶瓷螺杆前盖板器的后盖板、压电陶瓷晶片、前盖板，质点位移为()，F为应力，为振速，c为声速，k为波数，当换能器的横向尺寸小于时，由一维细棒的振动原理，得到各元件波动方程简谐解rl=(A1sinkx+B1coskx)“{=(A2sinkx+B2coskx)(1)图1夹心式换能器结构示意图邑：(A3sinkx+B3coskx)这种换能器应用非常广泛，文献[2]中利用该换能器的以及F=s差，=，=詈结构设计制作了非金属检测探头，并对混凝土进行了检测；文献[3]中在该型换能器前端安装一个变幅杆应用于超声加；A工领域。在夹心式换能器中，通过改变压电陶瓷

4、材料的厚度1!'3l_和形状以及前后金属盖板的几何尺寸和形状，可以对换能器进行优化设计，来获得不同的工作频率和其他一些性能参数，以适应不同的工作环境和应用场合。在一般情况下，利用换能器的频率方程设计换能器的方式有2种：一种是给定换能器的频率，利用频率方程设计换能器的形状和尺寸；另一种是给定换能器的材料和几何尺寸，由频率方程计算其共图2换能器简化模型振频率。本文对换能器的几种设计方法进行了论述和推导，由换能器端面的边界条件和交界面处力与速度的连续分析了它们各自的特点，提出简化设计的方法，并找出了影条件。可得到下列方程组响设计精度的原因，对工程上换能器的设计有一定指导作用。

5、收稿日期：2012～05—21作者简介：曾一平(1985一)，男，硕士研究生，主要从事超声波无损检测、换能器设计研究。曾一平，等：夹心式低频超声换能器设计l21，(0)=0路中总电抗为零的条件来得出，由此可以得出换能器位移节F。(。)=(0)面右边四分之一波长振子的频率方程，同理对于换能器位移()=(O)节面左面四分之一波长振子的频率方程，这样就可以对换能(2)器的形状(L。)=(0)、尺寸及共振频率进行设计。(L2)=(0)()=0由式(1)和(2)联立，即可得到换能器的频率方程及其他所需的设计参量。该方法是最基础的设计方法，由振动理论、波动方程、压电方程，结合边界条

6、件和连续性条件推导出来的，其他的方法都是在它的基础上优化变换得到的。需要指出的是，前后图3元件1的等效T型网络盖板的形状在很多情况是变截面，有圆柱形、圆锥形、指数形、悬链线等复杂形状，可根据不同需要进行选择，当选择较为复杂的截面形状时，用该方法计算比较复杂；为简化设计，往往假设负载为零即(L，)=0，但很多情况下要考虑负载，因为负载对设计有一定影响，但当()-#0时，用该方法计算较为复杂-oJ。图4元件2的等效T型网络2等效电路法将作用在换能器每个元件两端的力、振速、力阻抗分别类比于电压、电流、电阻抗，则换能器和电路之间就有等效关系，这就是力电类比方法。如图2所示的换能

7、器的三大部分，每个元件用力电类比的方法，可得到等效的机械四端网络如图3、4、5所示，网络中各等效电阻z都可由力电类比图5元件3的等效T型网络求得。由于边界振速连续，可将各元件的等效型网络连接起来，得到整个换能器的等效电路如图6，图6中z为分别是换能器前后辐射面的负载阻抗，一般情况下，z=0，由于换能器的前表面与负载相连，因此对应不同的负载，有不同的值。令电路阻抗部分为零，就可得到该换能器的频率方程，也可对换能器的尺寸进行设计。该方法利用等效电路图显示比较直观，物理意义清楚，可以利用电路的原理进行分析计算。然而，从具体的推导过程中可以发现，