امپدانس صوتی یک مبدل ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسکی

مبدل‌های نوع دیسک پیزوالکتریک مزایا و معایب اشکال مختلف مبدل اولتراسونیک را مورد بحث قرار می‌دهند. با توجه به عملکرد، ابعاد نصب و آزمایش میدانی سنسورهای محدوده مافوق صوت، دیسک های سرامیکی پیزوالکتریک شعاعی انتخاب می شوند / ضخامت حالت ارتعاش ویبراتور مبدل اولتراسونیک است. ویبراتورهای پیزوالکتریک دیسکی در فرکانس های 20 کیلوهرتز تا 120 کیلوهرتز کار می کنند. از تئوری آکوستیک مشخص است که ویبراتور پیزوالکتریک از نوع دیسک با قطر بزرگ که در باند فرکانس پایین کار می کند، برای ایجاد فاصله زیاد و جهت دهی قوی توسعه یافته است. اولاً، روش طراحی مبدل پیزوالکتریک دیسکی دارای فناوری تطبیق امپدانس صوتی و تطبیق امپدانس الکترومکانیکی است. مشکل نظری ارتعاش شعاعی/ضخامت ارتعاشی مورد مطالعه قرار می گیرد. سپس، طراحی و ساخت مبدل ترکیبی مورد بحث قرار می گیرد.

نمودار شماتیک توزیع جابجایی محوری یک ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسک در مرکز سطح تابشی دیسک متمرکز شده است، بنابراین، برای همان ابعاد ساختاری، مشخصه جهت مبدل پیزوالکتریک نوع دیسک (حالت ارتعاشی شعاعی/ضخامت) از ویژگی های جهت pizoeeetric برتری دارد. حالت لرزش ضخامت). به منظور تعیین اندازه ساختاری سنسور اولتراسونیک نوع دیسک برای اندازه گیری فاصله، جابجایی نسبی انرژی ارتعاش R (شعاع) ویبراتور پیزوالکتریک را می توان با محاسبه فرمول عرض پرتو (3.11b) ویبراتور پیزوالکتریک نوع پیستونی برای تخمین ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسک تخمین زد. با فرض اینکه ویبراتور پیزوالکتریک دیسک در فرکانس 25 کیلوهرتز کار می کند، طول موج موج اولتراسونیک در هوا حدود 13.6 میلی متر است. اگر عرض پرتو مبدل باید 3 دسی بل باشد، شعاع ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسک R باید حداقل برابر با سرامیک پیزوالکتریک باشد و دیسک سرامیکی پیزوالکتریک با شعاع R=0.045 متر در واقع به عنوان ویبراتور مبدل انتخاب می شود. هرچه شعاع دیسک بزرگتر باشد، بهبود ویژگی های جهتی مبدل پیزوالکتریک دیسک سودمندتر است. مواد سرامیکی PZT-5 به عنوان مبدل استفاده می شود.

تطابق امپدانس صوتی زمانی است که عدم تطابق نسبت‌های امپدانس صوتی سنسور فاصله اولتراسونیک نه تنها ضریب انتقال رابط را کاهش می‌دهد، بلکه باعث می‌شود ویبراتور پیزوالکتریک در مقدار بالایی طنین‌اندازی کند، یعنی باند فرکانس کاری باریک است و زمان باقی‌مانده شکل موج طولانی است، بنابراین به طور جدی بر پروب تأثیر می‌گذارد. حساسیت انتقال/دریافت، وضوح محوری و ظرفیت کانال برای جلوگیری از این پدیده است، لازم است از تکنیک آنتاگونیستی تطبیق امپدانس صوتی استفاده شود و سطح تابشی ویبراتور پیزوالکتریک دارای نسبت امپدانس صوتی بالا باشد، مستقیماً با محیط گازی که دارای امپدانس صوتی بسیار پایین است تماس ندارد. 

در این مبدل از سه ماده منطبق مختلف برای انتقال تدریجی از سطح تابشی ویبراتور پیزوالکتریک با امپدانس صوتی بالا به محیط هوا با امپدانس آکوستیک پایین استفاده می شود. این تکنیک تطبیق مبتنی بر تبادل صدای آب ارائه شده است. روش تطبیق انرژی در جدول، نسبت امپدانس صوتی پشت، عنصر پیزوالکتریک، ماده منطبق با لایه ith و بار به ترتیب به صورت ZB، Zo، Z، ZLo ثبت شده است، زیرا نسبت امپدانس صوتی ZL هوا 411 Pa·s/m است که بسیار کوچکتر از امپدانس صوتی ویبراتور پیزو است. بنابراین، برای تطبیق امپدانس باید از انواع سنسورهای عمق مافوق صوت منطبق استفاده کرد، به طوری که نسبت امپدانس صوتی از یک سطح تابش دیسک پیزوالکتریک بالا به یک انتقال 'صاف' کم به یک بار متوسط ​​هوا تبدیل شود. همچنین با در نظر گرفتن تضعیف صوتی مواد لایه تطبیق. تقریباً در تمام تحلیل‌های نظری و تمرین‌های مهندسی، ضخامت لایه تطبیق به عنوان (و طول موج موج صوتی مواد لایه تطبیق است) در نظر گرفته می‌شود و «لایه تطبیق یک چهارم طول موج» نامیده می‌شود. با توجه به تغییر مشخصات فرکانس مبدل پس از اعمال لایه تطبیق، ضخامت لایه تطبیق نیز باید در یک ضریب ضخامت ضرب شود و مقدار آن گرفته می شود.