تجزیه و تحلیل نظری مبدل های اولتراسونیک حالت ارتعاش

هنگامی که فاکتورهای الکترومکانیکی محوری و شعاعی ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسک نسبتاً قوی هستند، تئوری یک بعدی که توسط مدل شعاعی خالص یا مدل ضخامت خالص ایجاد شده است به اندازه کافی دقیق نیست. بین مقدار محاسبه شده نظری و مقدار تجربی. خطای مبدل های اولتراسونیک زیاد است. بنابراین، درک مدار معادل حالت ارتعاش جفت شعاعی/ضخامت ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسک و استخراج حالت ارتعاش آزاد همسانگرد ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسک تحت برخی شرایط تقریبی ضروری است. در مقایسه با تئوری یک بعدی، تئوری دو بعدی با دقت بیشتری قطر فرآیند ارتعاش ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسک و مدار معادل ویبراتور پیزوالکتریک را در هنگام جفت ضخیم منعکس می کند. به منظور تجزیه و تحلیل ویژگی های الکترومکانیکی ویبراتور پیزوالکتریک نوع دیسکی، من به ترتیب ولتاژ و جریان منبع تحریک را نشان می دهم و F به ترتیب نشان دهنده جابجایی و فشار کل روی سطوح مربوطه است.

 مشخص است که یک ویبراتور پیزوالکتریک از یک دیسک سرامیکی PZT-پیزوالکتریک ساخته شده است و در امتداد محور z قطبی شده است و یک لایه نقره در هر دو انتهای دیسک به عنوان الکترود آبکاری شده است و یک ولتاژ تحریک به هر دو انتهای الکترود اعمال می شود. هنگامی که بعد ضخامت دیسک تا حد زیادی با بعد شعاعی متفاوت است، می توان آن را به عنوان یک حالت ارتعاش ضخامت خالص یا یک حالت ارتعاش شعاعی خالص در نظر گرفت. برعکس، مشکل هماهنگی الکترومکانیکی بین ضخامت و جهت شعاعی دیسک سرامیکی پیزوالکتریک باید در نظر گرفته شود. از معادله حرکت، معادله پیزوالکتریک و معادله بار آزاد، کل فشار وارد بر سه سطح دیسک را می توان استخراج کرد.

محدوده فرکانس کاری مبدل اولتراسونیک نوع دیسک پیزوالکتریک بین 2225 کیلوهرتز است. هنگامی که حرکت نسبی بین مبدل و هدف در حال اندازه گیری وجود دارد، فرکانس سیگنال اکو ممکن است به دلیل اثر داپلر خارج از باند عملیاتی مبدل قرار گیرد. دو راه برای حل این مشکل وجود دارد: اول، استفاده از دو یا چند مبدل با فرکانس‌های تشدید (مرکزی) مختلف برای تشکیل یک آرایه، یعنی روی هم قرار دادن باندهای فرکانسی مبدل‌های متعدد برای گسترش مبدل و پهنای باند آرایه است. ساختار مبدل ترکیبی برای ایجاد فرکانس دریافت پهنای باند مبدل در باند انتقال سنسور اندازه‌گیری فاصله اولتراسونیک استفاده می‌شود.

 اولی یک ساختار آرایه ای بزرگ است که اغلب توسط سونارهای زیر آب استفاده می شود. دومی طرح ساختاری ارائه شده در این مقاله است که از اندازه کوچک، هزینه کم و حساسیت بالای مبدل بهره می برد و مبدل را به عنوان یک گیرنده کمکی در فشار توزیع می کند. در اطراف مبدل دیسک الکتریکی (نوع دریافت کننده و ارسال کننده)، یک آرایه دایره ای از مبدل ها تشکیل می شود که مبدل ترکیبی را قادر می سازد سیگنال های اکو را خارج از باند مبدل دیسک پیزوالکتریک دریافت کند. به عنوان یک حسگر محدوده نصب شده در وسیله نقلیه، تشخیص قابل اعتماد یک جسم متحرک که با سرعت بالا نزدیک می شود، عملی تر است تا تشخیص یک شی متحرک که دور است. از اثر داپلر می توان فهمید که وقتی موج اولتراسونیک بر روی یک هدف متحرک با سرعت بالا وارد می شود، فرکانس سیگنال پژواک منعکس شده به سمت بالا (بیشتر از فرکانس سیگنال ارسالی) تغییر می کند. برای این منظور، فرکانس کاری پایین‌تر آرایه حلقوی سنسور فاصله اولتراسونیک باید بیشتر از فرکانس کاری بالای مبدل اولیه باشد.