المعاوقة الصوتية لمحول الطاقة الهزاز الكهرضغطي من نوع القرص

يناقش نوع القرص الكهرضغطي من محولات الطاقة مزايا وعيوب الأشكال المختلفة لمحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية. مع الأخذ في الاعتبار الأداء وأبعاد التركيب والاختبار الميداني لأجهزة استشعار المدى بالموجات فوق الصوتية، يتم اختيار أقراص السيراميك الكهرضغطية بشكل شعاعي/سمك وضع الاهتزاز هو هزاز محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية. تعمل الهزازات الكهرضغطية القرصية بترددات تتراوح من 20 كيلو هرتز إلى 120 كيلو هرتز. ومن المعروف من النظرية الصوتية أن الهزاز الكهروضغطي ذو القطر الكبير من النوع القرصي الذي يعمل في نطاق التردد المنخفض تم تطويره لتطوير مسافة كبيرة واتجاهية قوية. أولاً، تتميز طريقة تصميم محول الطاقة الكهرضغطية القرصي بتكنولوجيا مطابقة المعاوقة الصوتية ومطابقة المعاوقة الكهروميكانيكية. تمت دراسة المشكلة النظرية للاهتزاز الاهتزازي الشعاعي/السمكي. ثم، تتم مناقشة تصميم وتصنيع محول الطاقة المشترك.

يتركز الرسم التخطيطي لتوزيع الإزاحة المحورية لهزاز كهرضغطية من نوع القرص في وسط السطح المشع للقرص، وبالتالي، بالنسبة للأبعاد الهيكلية نفسها، فإن الخاصية الاتجاهية لمحول الطاقة الكهرضغطية من نوع القرص (وضع الاهتزاز الشعاعي/السمك) تتفوق على تلك الخاصة بمحول الطاقة الكهرضغطية من نوع المكبس (خصائص الاتجاه النقي لوضع اهتزاز السماكة). من أجل تحديد الحجم الهيكلي لمستشعر الموجات فوق الصوتية من نوع القرص لقياس المسافة، يمكن تقدير الإزاحة النسبية لطاقة الاهتزاز R (نصف القطر) للهزاز الكهرضغطي عن طريق حساب صيغة عرض الشعاع (3.11 ب) للهزاز الكهرضغطي من نوع المكبس لتقدير الهزاز الكهرضغطي من نوع القرص. بافتراض أن الهزاز الكهرضغطي القرصي يعمل بتردد 25 كيلو هرتز، فإن الطول الموجي للموجة فوق الصوتية في الهواء يبلغ حوالي 13.6 ملم. إذا كان عرض شعاع محول الطاقة مطلوبًا أن يكون 3 ديسيبل، فإن نصف قطر الهزاز الكهرضغطي من نوع القرص هو R يجب أن يكون مساويًا على الأقل للسيراميك الكهرضغطي، ويتم تحديد قرص السيراميك الكهرضغطي الذي يبلغ نصف قطره R = 0.045 م فعليًا ليكون هزاز محول الطاقة. كلما كان نصف قطر القرص أكبر، كلما كان من الأفضل تحسين الخصائص الاتجاهية لمحول الطاقة الكهرضغطية للقرص. يتم استخدام مادة السيراميك PZT-5 كمحول للطاقة.

تتم مطابقة المعاوقة الصوتية عندما لا يؤدي عدم تطابق نسب المعاوقة الصوتية لمستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية إلى تقليل معامل نقل الواجهة فحسب، بل يجعل أيضًا الهزاز الكهرضغطي يرن بقيمة عالية، أي أن نطاق تردد العمل ضيق والوقت المتبقي لشكل الموجة طويل، مما يؤثر بشكل خطير على المسبار. لتجنب هذه الظاهرة، يجب تجنب حساسية الإرسال/الاستقبال، والدقة المحورية، وسعة القناة، ومن الضروري استخدام تقنية مطابقة المعاوقة الصوتية، ويكون السطح المشع للهزاز الكهرضغطي ذو نسبة مقاومة صوتية عالية ولا يتصل مباشرة بالوسط الغازي الذي له نسبة مقاومة صوتية منخفضة جدًا. 

في محول الطاقة هذا، يتم استخدام ثلاث مواد مطابقة مختلفة للانتقال تدريجيًا من السطح المشع للهزاز الكهروضغطي ذي المعاوقة الصوتية العالية إلى وسط الهواء ذي المعاوقة الصوتية المنخفضة. تعتمد تقنية المطابقة هذه على تبادل صوت الماء المقدم. طريقة مطابقة الطاقة. في الجدول، يتم تسجيل نسب المعاوقة الصوتية للدعامة والعنصر الكهرضغطي والمواد المطابقة للطبقة والحمل على التوالي كـ ZB وZo وZ وZLo لأن نسبة المعاوقة الصوتية ZL للهواء هي 411 Pa·s/m، وهي أصغر بكثير من المعاوقة الصوتية للهزاز الكهرضغطي وهي Zo. لذلك، يجب استخدام مجموعة متنوعة من مستشعرات العمق بالموجات فوق الصوتية المطابقة لمطابقة المعاوقة، بحيث تنتقل نسبة المعاوقة الصوتية من سطح مرتفع (سطح يشع قرص كهرضغطية) إلى انتقال منخفض 'سلس' إلى حمل هوائي متوسط. مع الأخذ في الاعتبار أيضًا التوهين الصوتي لمادة الطبقة المطابقة. في جميع التحليلات النظرية والممارسات الهندسية تقريبًا، يتم أخذ سمك الطبقة المطابقة على أنه (وهو الطول الموجي للموجة الصوتية لمادة الطبقة المطابقة) ويسمى 'الطبقة المطابقة لربع الطول الموجي'. مع الأخذ في الاعتبار تغيير خصائص تردد محول الطاقة بعد تطبيق الطبقة المطابقة، يجب أيضًا ضرب سمك الطبقة المطابقة بمعامل السمك، ويتم أخذ القيمة.