Page 113 - 无损检测2022年第一期

刘晓晓, 等:

用于水下探测的宽带超声换能器设计

碍物位置并提前规避, 使用的纵振换能器需具有低
频、 宽带、 大功率等特性 [ 5-6 ] 。
目前, 多模态振动耦合是拓宽纵振换能器工作
带宽的有效方法之一, 其能调整结构设计, 使换能器
中两种或两种以上的振动模态频率相距适中并有效
图 2 双激励夹心式纵振换能器的机电等效电路
耦合, 达到拓宽带宽的目的 [ 7 ] 。常见的拓宽纵振换
能器带宽的设计方法有纵弯、 匹配层、 单端激励、 双 S e1
C 1 = ( 1 )
·
激励、 柔顺层等 [ 8 ] 。 L e1 β 33
笔者研制了一种可用于水下探测的宽带纵振换 S e2
C 2 = ( 2 )
·
能器, 采用双激励设计方法拓宽换能器带宽, 并基于 L e2 β 33
双激励夹心式换能器共振频率方程, 对目标谐振频 g 33 S e1
·
N 1 = ( 3 )
D
率为 23 , 42kHz的双激励纵振换能器进行了理论 L e1 S 33 β 33

·
·
设计, 然后通过有限元建模优化设计了一种双激励 g 33 S e2
·
N 2 = ( 4 )
D
·
·
宽带纵振换能器, 并制作测试了换能器样机。 L e2 S 33 β 33

2
1 双激励纵振换能器设计理论 β 33 = β 33 1+ D g 33 T ( 5 )
T

·
S 33 β 33
1.1 双激励纵振换能器机电等效电路 式中: S e1= S e2= S 1=π R 1 , 为两组压电晶堆的横截
2
双激励夹心式纵振换能器的典型结构示意如 面积; S 33 g 33 β 33 分 别 为 压 电 陶 瓷 材 料 的 柔 性 常
D
T
,
,
, 为后盖板长度; , , , , ,
图 1 所示( 图中 R 1 R 2 为半径; L a 数、 压 电 常 数、 介 电 常 数; Z a1 Z a2 Z a3 Z m1 Z m2
, 分别 , , , 分别为后盖板、 中间质量块、 前盖
L m 为质量块长度; L b 为前盖板长度; L e1 L e2 Z m3 Z b1 Z b2 Z b3
,
,
,
为后晶堆 与 前 晶 堆 的 长 度), 其 由 两 个 金 属 圆 柱、 板的阻抗; Z e11 Z e12 Z e13 Z e21 Z e22 Z e23 分别为后
,
,
一个金属喇叭形前盖板和两组压电 晶堆组成。压 晶堆、 前晶堆的阻抗分量, 其具体表达式可参考文献
电晶堆由 两 个 极 化 方 向 相 反 的 压 电 晶 片 组 成, 压 [ 9-10 ]。
电晶片之 间 采 用 机 械 端 串 联、 电 端 并 联 的 方 式 相 前后晶堆材料的纵向振动传播速度c 0 为
连接。两组压电晶堆与 3 个金属块通过应力螺栓 E
·
c 0 = 1 /( S 33 ρ 0 ) ( 6 )
相连接, 在实际制备过程中, 往往会在各部件连接 E 是压电材料的恒电场柔性常数分量; 为
ρ 0
式中: S 33
面涂抹环 氧 胶, 进 一 步 加 强 部 件 间 的 连 接。 由 于
压电材料密度。
双激励夹 心 式 换 能 器 的 长 度 可 与 波 长 相 比, 换 能 将图 2 进行多次的 T 型网络、 Π 型网络等效阻
器中的压电晶堆振动模态可视为电场平行于长度
抗变换, 可得到如图 3 所示的等效电路。图中 Z q 1 ,
方向的长度伸缩。 , 为等效阻抗。
Z q 2 Z q 3
图 3 双激励夹心式纵振换能器的简化等效电路
根据图 3 可计算得到整个双激励纵振换能器的
图 1 双激励夹心式纵振换能器的典型结构示意 输入阻抗 Z e 。根据换能器共振频率方程的定义可
知, 在共振频率下 Z e=0 , 即换能器导纳曲线极大值
基于梅森等效电路和换能器的一维振动理论,
可得到双激励夹心式纵振换能器的机电等 效电路 对应的频率即为换能器共振频率点。
[ 4 ] 分别为两组压电晶堆的 1.2 双激励纵振换能器共振频率方程
,
( 见图 2 ) 。图 2 中 C 1 C 2
, 分别为其机电转换系数, 表 双激励换能器工作在低频时, 前晶堆阻抗很大,
一维截止电容, N 1 N 2
达式分别为 近似于开路, 其机械端n-N 的反射阻抗Z nN 为
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2022 年 第 44 卷 第 1 期
无损检测