Sylinterimäisen pietsosähköisen muuntimen resonanssiteho(2)

Tämän sylinterimäisen anturin suunnittelussa on tarkoitus toteuttaa sähköakustinen muunnos käyttämällä 1-3-2-komposiittimateriaalielementin paksuusvärähtelyä tasaisen suuntaavuuden saavuttamiseksi vaakasuunnassa. Anturin suunnittelutaajuus on 74 kHz. Pietsosähköisen anturin resonanssitaajuuden analysoimiseksi ja ennustamiseksi elementtianalyysiohjelmistoa käytetään muuntimen simuloimiseen. Yksi kahdeksasosa lieriömäisestä ryhmästä  Valitaan PZT-materiaali pietsokeramiikka , eli mallinnetaan yksi pala 1-3-2 komposiittimateriaalinauhaa ja tausta. Komposiittimateriaalin koko on täsmälleen sama kuin näytteen todellinen koko. Taustan ulkohalkaisija on 60 mm, putken seinämän paksuus 5 mm ja korkeus 15 mm. Kuvassa on anturin yhden elementin paksuusvärähtelymoodi ja sen resonanssitaajuus on 73,9 kHz.

Äänenvaimenninpoolissa olevien kahden muuntimen resonanssisuorituskyky mitattiin kokeellisesti ja kahden muuntimen sisäänpääsykäyrät olivat lähes samat, joten valmistusprosessi oli mahdollista ja näytteiden konsistenssi oli hyvä. Yhden sylinterimäisen pietsosähköisen muuntimen veden sisäänpääsykäyrä mitattuna tarkkuusimpedanssianalysaattorilla on esitetty. Resonanssitaajuus on 72 kHz. Kahden kuvan vertailu osoittaa, että vedessä saadut mittaustulokset ovat hyvin lähellä simulaatiotuloksia. Tämä osoittaa, että sylinterimäisen muuntimen näytteen värähtelytaajuus täyttää periaatteessa suunnitteluvaatimukset.

 anturin suorituskyvyn mittaus

Automaattista akustista kalibrointijärjestelmää käytettiin mittaamaan kahden yhdistelmäsylinterimäisen vesiakustisen muuntimen suorituskykyä, kuten lähetysjännitevastetta, vastaanottojännitteen herkkyyttä ja suuntaavuutta. Mittaustaajuus oli 20 - 100 kHz. Koe suoritettiin Great Wall Radio Factoryn akustisen mittauskeskuksen vaimennusaltaassa. Kahden muuntimen suorituskyky on samanlainen, ja suhteelliset poikkeamat ovat 5 %:n sisällä. Esitys yhden PZT41-materiaalista pietsosähköinen nauha valitaan analysoitavaksi. Lähetysjännitevaste vaihtelee taajuuden mukaan. Suurin arvo on 139 dB ja 3 dB:n kaistanleveys 7 kHz. Anturin vastaanottoherkkyys mitataan taajuusalueella 20 - 60 kHz ja sen vastaanottojännitteen herkkyys on -212. (Aaltoileva maaperä 4dB). Anturin suuntausmittaustulokset osoittavat, että anturin suuntaavuus on periaatteessa vaakasuora 360, mutta vaihtelu on suuri, mikä johtuu pääasiassa siitä, että anturin ryhmäelementtien välinen väli on liian suuri. Pietsoelementin säteilyalue on pieni. Pystysuuntainen kaavio osoittaa, että 3dB:n säteenleveys anturin pystysuunnassa on 12°.

Pietsosähköisessä komposiittisylinterimuuntimessa komposiittielementin paksuus on 10 mm, ja kun pietsosylinterin halkaisija on 70 mm, resonanssitaajuus on noin 72 KHz. Jos komposiittipietsoelementin paksuutta pienennetään ja sylinterin halkaisijaa pienennetään, resonanssitaajuus Pietsolevymuuntimen materiaalia voidaan kasvattaa edelleen, niin että kun anturin halkaisija on suurempi, voidaan saada suurempi resonanssitaajuus, mikä parantaa puhdasta pietsosähköä. Kun pietsokeraamisella lieriömäisellä muuntimella on korkeampi resonanssitaajuus, sen tilavuus on pienempi ja sitä on vaikea käsitellä. Samaan aikaan 1-3-2-komposiittisylinterimuuntimella on suurempi kaistanleveyden parannus kuin saman taajuuden pietsosähköisellä keraamisella sylinterimäisellä muuntimella, ja emissiojännitevaste on verrattavissa pietsokeramiikkaan.

Koska pietsosähköisen anturin suunnittelurakenne eroaa hieman valmistuksen jälkeisestä rakenteesta ja valmistusprosessia on parannettava, anturin suorituskyky on hieman odotettua laskentatulosta alhaisempi. Lisäksi anturiryhmän elementtien säteilypinta-ala on pieni ja kunkin ryhmäelementin värähtelyenergia jakautuu kehälle, mikä johtaa alhaisempaan vastaanottoherkkyyteen. Kuitenkin suurentamalla ryhmäelementin säteilevän pinnan pinta-alaa, pienentämällä ryhmäelementin paksuutta ja pienentämällä ryhmäelementtien välistä etäisyyttä voidaan parantaa anturin vastaanottoherkkyyttä ja parantaa myös anturin vaakasuuntaisen suuntauksen tasaisuutta.