التحليل النظري لمحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية وضع الاهتزاز

عندما تكون العوامل الكهروميكانيكية المحورية والقطرية للهزاز الكهرضغطي من النوع القرصي قوية نسبيًا، فإن النظرية أحادية البعد التي أنشأها النموذج الشعاعي النقي أو نموذج السمك النقي ليست دقيقة بما فيه الكفاية. بين القيمة النظرية المحسوبة والقيمة التجريبية. خطأ محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية كبير. لذلك، من الضروري فهم الدائرة المكافئة لوضع اهتزاز الاقتران الشعاعي/السمك للهزاز الكهرضغطي من النوع القرصي، واستخلاص وضع الاهتزاز الحر المتناحي للهزاز الكهروضغطي من النوع القرصي في ظل بعض الظروف التقريبية. بالمقارنة مع النظرية أحادية البعد، فإن النظرية ثنائية الأبعاد تعكس بشكل أكثر دقة قطر عملية الاهتزاز للهزاز الكهروضغطي من النوع القرصي والدائرة المكافئة للهزاز الكهرضغطي عندما يكون اقترانًا سميكًا. من أجل تحليل الخصائص الكهروميكانيكية للهزاز الكهروضغطي من النوع القرصي، أمثل جهد إمداد الإثارة والتيار، على التوالي، ويمثل F الإزاحة والضغط الإجمالي على الأسطح المعنية، على التوالي.

 من المعروف أن الهزاز الكهرضغطي مصنوع من قرص سيراميكي كهرضغطي PZT ومستقطب على طول المحور z، ومطلي بطبقة فضية على طرفي القرص كقطب كهربائي، ويتم تطبيق جهد إثارة على طرفي القطب. عندما يختلف بُعد سُمك القرص بشكل كبير عن البعد الشعاعي، فيمكن معاملته كوضع اهتزاز بسمك نقي أو وضع اهتزاز شعاعي خالص؛ وعلى العكس من ذلك، ينبغي النظر في مشكلة التنسيق الكهروميكانيكية بين سمك القرص الخزفي الكهروإجهادي والاتجاه الشعاعي له. ومن معادلة الحركة وهي المعادلة الكهرضغطية ومعادلة الشحنة الحرة يمكن استخلاص الضغط الكلي المؤثر على الأسطح الثلاثة للقرص.

يتراوح نطاق تردد التشغيل لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية من نوع القرص الكهرضغطي بين 2225 كيلو هرتز. عندما تكون هناك حركة نسبية بين محول الطاقة والهدف الذي يتم قياسه، قد يقع تردد إشارة الصدى خارج نطاق تشغيل محول الطاقة بسبب تأثير دوبلر. هناك طريقتان لحل هذه المشكلة: أولاً، استخدام محولين أو أكثر بترددات رنين (مركزية) مختلفة لتشكيل مصفوفة، أي أن تراكب نطاقات التردد لمحولات طاقة متعددة يؤدي إلى توسيع محول الطاقة وعرض النطاق الترددي للمصفوفة؛ يتم استخدام هيكل محول الطاقة المدمج لعمل تردد الاستقبال لعرض النطاق الترددي لمحول الطاقة في نطاق الإرسال لمستشعر قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية.

 الأول عبارة عن هيكل مصفوفة كبيرة غالبًا ما يستخدمه السونار تحت الماء؛ الأخير هو المخطط الهيكلي المقترح في هذه الورقة، والذي يستفيد من الحجم الصغير والتكلفة المنخفضة والحساسية العالية لمحول الطاقة، ويوزع محول الطاقة كمستقبل مساعد عند الضغط. حول محول الطاقة القرصي الكهربائي (نوع الاستقبال والإرسال)، يتم تشكيل مجموعة دائرية من محولات الطاقة، مما يمكّن محول الطاقة المدمج من استقبال إشارات الصدى خارج نطاق محول القرص الكهرضغطي. باعتبارك جهاز استشعار نطاق مثبت على السيارة، فمن العملي أن تكون قادرًا على اكتشاف جسم متحرك يقترب بسرعة عالية بشكل موثوق بدلاً من اكتشاف جسم متحرك بعيد. يمكن أن نعرف من تأثير دوبلر أنه عندما تعمل الموجة فوق الصوتية على هدف متحرك عالي السرعة قادم، فإن تردد إشارة الصدى المنعكسة للخلف سوف ينزاح لأعلى (أعلى من تردد الإشارة المرسلة). ولتحقيق هذه الغاية، يجب أن يكون تردد التشغيل الأدنى للمصفوفة الحلقية لمستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية أعلى من تردد التشغيل العلوي لمحول الطاقة الأساسي.