أداء الرنين لمحول الطاقة الكهرضغطية الأسطواني (2)

يهدف تصميم محول الطاقة الأسطواني هذا إلى تحقيق التحويل الكهربائي الصوتي باستخدام اهتزاز سمك عنصر المادة المركبة 1-3-2 للحصول على الاتجاه الموحد في الاتجاه الأفقي. تردد التصميم للمحول هو 74 كيلو هرتز. من أجل تحليل تردد الرنين لمحول الطاقة الكهرضغطية والتنبؤ به، يتم استخدام برنامج تحليل العناصر المحدودة لمحاكاة محول الطاقة. ثمن المجموعة الأسطوانية  يتم تحديد مادة بيزوسيراميك PZT ، أي أنه يتم تصميم قطعة واحدة من شريط المواد المركبة والركيزة 1-3-2. حجم المادة المركبة هو بالضبط نفس الحجم الفعلي للعينة. القطر الخارجي للدعامة 60 مم، سمك جدار الأنبوب 5 مم، والارتفاع 15 مم. يوضح الشكل وضع اهتزاز السُمك لأحد عناصر محول الطاقة، وتردد الرنين الخاص به هو 73.9 كيلو هرتز.

تم قياس أداء الرنين لمحولي الطاقة في حوض كاتم الصوت بشكل تجريبي، وكانت منحنيات القبول لمحولي الطاقة متماثلة تقريبًا، بحيث كانت عملية الإنتاج ممكنة وكانت العينات متسقة جيدًا. يتم عرض منحنى دخول الماء لأحد محولات الطاقة الكهرضغطية الأسطوانية المقاسة بمحلل المعاوقة الدقيق. تردد الرنين هو 72 كيلو هرتز. وتبين المقارنة بين الشكلين أن نتائج القياس في الماء قريبة جداً من نتائج المحاكاة. وهذا يدل على أن تردد الاهتزاز لعينة محول الطاقة الأسطواني يلبي بشكل أساسي متطلبات التصميم.

 قياس أداء محول الطاقة

تم استخدام نظام المعايرة الصوتية التلقائية لقياس أداء محولين صوتيين أسطوانيين مركبين للمياه مثل استجابة جهد النقل، وحساسية جهد الاستقبال، والاتجاهية. كان تردد القياس من 20 إلى 100 كيلو هرتز. تم إجراء التجربة في حوض إسكات الصوت بمركز القياس الصوتي التابع لمصنع راديو جريت وول. أداء محولي الطاقة متشابهان، والانحرافات النسبية في حدود 5%. أداء أحد يتم تحديد شريط كهرضغطية مادة PZT41 للتحليل. تختلف استجابة جهد الإرسال مع التردد. الحد الأقصى للقيمة هو 139 ديسيبل، وعرض النطاق الترددي 3 ديسيبل هو 7 كيلو هرتز. يتم قياس حساسية استقبال محول الطاقة ضمن نطاق تردد يتراوح من 20 إلى 60 كيلو هرتز، وحساسية جهد الاستقبال هي -212. (التربة المتموجة 4 ديسيبل). تظهر نتائج قياس الاتجاهية لمحول الطاقة أن محول الطاقة لديه بشكل أساسي اتجاهية أفقية تبلغ 360 درجة، ولكن التقلب كبير، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الفاصل الزمني بين عناصر صفيف محول الطاقة كبير جدًا. منطقة إشعاع عنصر بيزو صغيرة. يوضح مخطط الاتجاه الرأسي أن عرض الحزمة 3 ديسيبل في الاتجاه الرأسي لمحول الطاقة هو 12 درجة.

في محول الطاقة الأسطواني المركب الكهروإجهادي، يبلغ سمك العنصر المركب 10 مم، وعندما يبلغ قطر الأسطوانة الانضغاطية 70 مم، يكون تردد الرنين حوالي 72 كيلو هرتز. إذا تم تقليل سمك العنصر الكهروإجهادي المركب وتقليل قطر الأسطوانة، فإن تردد الرنين للعنصر يمكن زيادة مادة محول القرص الانضغاطي بشكل أكبر، بحيث عندما يكون قطر محول الطاقة أكبر، يمكن الحصول على تردد رنين أعلى، وبالتالي تحسين الكهرباء الانضغاطية النقية. عندما يكون لمحول الطاقة الأسطواني الخزفي الانضغاطي تردد رنين أعلى، يكون حجمه أصغر ويصعب معالجته. في الوقت نفسه، يتمتع محول الطاقة الأسطواني المركب 1-3-2 بتحسين عرض النطاق الترددي أكبر من محول الطاقة الأسطواني الخزفي الكهرضغطي من نفس التردد، واستجابة جهد الانبعاث قابلة للمقارنة مع استجابة السيراميك الانضغاطي.

نظرًا لأن هيكل تصميم محول الطاقة الكهرضغطية يختلف قليلاً عن الهيكل بعد التصنيع، وتحتاج عملية التصنيع إلى التحسين، فإن أداء محول الطاقة أقل قليلاً من نتيجة الحساب المتوقعة. بالإضافة إلى ذلك، تكون منطقة الإشعاع لعناصر صفيف محول الطاقة صغيرة، ويتم توزيع طاقة الاهتزاز لكل عنصر صفيف على طول المحيط، مما يؤدي إلى انخفاض حساسية الاستقبال. ومع ذلك، من خلال زيادة مساحة السطح المشع لعنصر الصفيف، وتقليل سمك عنصر الصفيف، وتقليل التباعد بين عناصر الصفيف، يمكن تحسين حساسية استقبال محول الطاقة ويمكن أيضًا تحسين توحيد الاتجاه الأفقي لمحول الطاقة.