عملکرد تشدید مبدل پیزوالکتریک استوانه ای (2)

طراحی این مبدل استوانه ای برای تحقق تبدیل الکتروآکوستیک با استفاده از ارتعاش ضخامت عنصر ماده مرکب 1-3-2 برای به دست آوردن جهت یکنواخت در جهت افقی است. فرکانس طراحی مبدل 74 کیلوهرتز است. به منظور تحلیل و پیش‌بینی فرکانس تشدید مبدل پیزوالکتریک، از نرم‌افزار تحلیل المان محدود برای شبیه‌سازی مبدل استفاده می‌شود. یک هشتم آرایه استوانه ای از  پیزوسرامیک مواد PZT انتخاب می شود، یعنی یک قطعه نوار مواد کامپوزیت 1-3-2 و پشتی مدل سازی می شود. اندازه مواد کامپوزیت دقیقاً با اندازه واقعی نمونه برابر است. قطر بیرونی پشتی 60 میلی متر، ضخامت دیواره لوله 5 میلی متر و ارتفاع 15 میلی متر است. شکل حالت لرزش ضخامت یک عنصر مبدل را نشان می دهد و فرکانس تشدید آن 73.9 کیلوهرتز است.

عملکرد تشدید دو مبدل در استخر صدا خفه کن به صورت تجربی اندازه گیری شد و منحنی های پذیرش دو مبدل تقریباً یکسان بود، به طوری که فرآیند تولید امکان پذیر بود و نمونه ها از قوام خوبی برخوردار بودند. منحنی ورود آب یکی از مبدل‌های پیزوالکتریک استوانه‌ای اندازه‌گیری شده با یک تحلیلگر امپدانس دقیق ارائه شده است. فرکانس رزونانس 72 کیلوهرتز است. مقایسه بین دو شکل نشان می دهد که نتایج اندازه گیری در آب بسیار نزدیک به نتایج شبیه سازی است. این نشان می دهد که فرکانس ارتعاش نمونه مبدل استوانه ای اساساً الزامات طراحی را برآورده می کند.

 اندازه گیری عملکرد مبدل

سیستم کالیبراسیون صوتی خودکار برای اندازه‌گیری عملکرد دو مبدل صوتی استوانه‌ای مرکب مانند پاسخ ولتاژ انتقال، حساسیت ولتاژ دریافت و هدایت استفاده شد. فرکانس اندازه گیری از 20 تا 100 کیلوهرتز بود. این آزمایش در حوضچه خاموشی مرکز اندازه گیری آکوستیک کارخانه رادیو گریت وال انجام شد. عملکرد دو مبدل مشابه است و انحرافات نسبی در 5٪ است. عملکرد یکی از نوار پیزوالکتریک ماده PZT41 برای تجزیه و تحلیل انتخاب شده است. پاسخ ولتاژ انتقال با فرکانس متفاوت است. حداکثر مقدار 139dB و پهنای باند 3dB 7kHz است. حساسیت دریافت ترانسدیوسر در محدوده فرکانسی 20 تا 60 کیلوهرتز اندازه گیری می شود و حساسیت ولتاژ دریافت آن 212- است. (خاک موجدار 4dB). نتایج اندازه گیری جهت ترانسدیوسر نشان می دهد که مبدل اساساً دارای جهت دهی افقی 360 است، اما نوسان زیاد است، که عمدتاً به این دلیل است که فاصله بین عناصر آرایه مبدل بسیار زیاد است. ناحیه تابش عنصر پیزو کوچک است. نمودار جهت گیری عمودی نشان می دهد که عرض پرتو 3dB در جهت عمودی مبدل 12 درجه است.

در مبدل استوانه ای کامپوزیت پیزوالکتریک، عنصر کامپوزیت 10 میلی متر ضخامت دارد و زمانی که قطر سیلندر پیزو 70 میلی متر باشد، فرکانس رزونانس حدود 72 کیلوهرتز است. اگر ضخامت عنصر پیزو کامپوزیت کاهش یابد و قطر سیلندر کاهش یابد، فرکانس تشدید مواد مبدل دیسک پیزو را می توان بیشتر افزایش داد، به طوری که وقتی قطر مبدل بزرگتر است، فرکانس رزونانس بالاتری را می توان به دست آورد و در نتیجه پیزوالکتریک خالص را بهبود بخشید. هنگامی که مبدل استوانه ای سرامیکی پیزو دارای فرکانس تشدید بالاتری باشد، حجم آن کوچکتر است و پردازش آن دشوار است. در عین حال، مبدل استوانه‌ای کامپوزیت 1-3-2 نسبت به مبدل استوانه‌ای سرامیکی پیزوالکتریک با همان فرکانس، پهنای باند بیشتری بهبود می‌یابد و پاسخ ولتاژ انتشار با پاسخ ولتاژ پیزو سرامیک قابل مقایسه است.

از آنجایی که ساختار طراحی مبدل پیزوالکتریک کمی با ساختار پس از ساخت متفاوت است و فرآیند ساخت نیاز به بهبود دارد، عملکرد مبدل کمی کمتر از نتیجه محاسباتی مورد انتظار است. علاوه بر این، مساحت تابش عناصر آرایه مبدل کوچک است و انرژی ارتعاشی هر عنصر آرایه در امتداد محیط توزیع می شود و در نتیجه حساسیت دریافتی کمتری دارد. با این حال، با افزایش سطح تابشی عنصر آرایه، کاهش ضخامت عنصر آرایه و کاهش فاصله بین عناصر آرایه، می توان حساسیت گیرنده مبدل را بهبود بخشید و یکنواختی جهت افقی مبدل را نیز بهبود بخشید.