Akustična impedancija piezoelektričnog vibratora tipa diska

Tip pretvornika s piezoelektričnim diskom raspravlja o prednostima i nedostacima različitih oblika ultrazvučnih pretvornika. Uzimajući u obzir izvedbu, dimenzije ugradnje i ispitivanje na terenu ultrazvučnih senzora za domet, piezoelektrični keramički diskovi odabrani su radijalno/debljina načina vibracije vibratora ultrazvučnog pretvornika. Diskovi piezoelektrični vibratori rade na frekvencijama u rasponu od 20 kHz do 120 kHz. Iz akustičke teorije je poznato da je piezoelektrični vibrator velikog promjera tipa diska koji radi u niskofrekventnom pojasu razvijen za postizanje velike udaljenosti i snažne usmjerenosti. Prvo, metoda dizajna disk piezoelektrične transdukcije ima tehnologiju usklađivanja akustične impedancije i elektromehaničke impedancije. Proučava se teorijski problem radijalnih/debljinskih vibrirajućih vibracija. Zatim se raspravlja o dizajnu i izradi kombiniranog pretvarača.

Shematski dijagram raspodjele aksijalnog pomaka diskastog piezoelektričnog vibratora koncentriran je u središtu površine zračenja diska, stoga je, za iste strukturne dimenzije, karakteristika usmjerenja diskastog piezoelektričnog pretvornika (radijalno/debljinski način vibriranja) bolja od one piezoelektričnog pretvornika klipnog tipa (čiste smjerne karakteristike debljine način vibracije). Kako bi se odredila strukturna veličina ultrazvučnog senzora tipa diska za mjerenje udaljenosti, relativni pomak energije vibracije R (radijus) piezoelektričnog vibratora može se procijeniti izračunavanjem formule širine snopa (3.11b) piezoelektričnog vibratora klipnog tipa za procjenu piezoelektričnog vibratora tipa diska. Uz pretpostavku da disk piezoelektrični vibrator radi na frekvenciji od 25 kHz, valna duljina ultrazvučnog vala u zraku je oko 13,6 mm. Ako se traži da širina snopa sonde bude 3 dB, radijus piezoelektričnog vibratora tipa diska je R trebao bi biti najmanje jednak piezoelektričnoj keramici, a piezoelektrični keramički disk koji ima radijus od R=0,045 m zapravo je odabran kao vibrator sonde. Što je veći radijus diska, to je povoljnije poboljšati karakteristike usmjerenja disk piezoelektričnog pretvarača. Kao pretvornik koristi se keramički materijal PZT-5.

Usklađivanje akustične impedancije je kada neusklađenost omjera akustične impedancije ultrazvučnog senzora udaljenosti ne samo da smanjuje koeficijent prijenosa sučelja, već također čini da piezoelektrični vibrator rezonira na visokoj vrijednosti, to jest, radni frekvencijski pojas je uzak, a preostalo vrijeme valnog oblika dugo, što ozbiljno utječe na sondu. Osjetljivost odašiljanja/prijema, aksijalna rezolucija i kapacitet kanala su da bi se izbjegao ovaj fenomen, potrebno je koristiti antagonističku tehniku ​​usklađivanja akustične impedancije, a površina koja zrači piezoelektričnog vibratora ima visok omjer akustične impedancije ne dolazi u izravni kontakt s plinovitim medijem koji ima vrlo nizak omjer akustične impedancije. 

U ovom pretvorniku koriste se tri različita odgovarajuća materijala za postupni prijelaz s površine zračenja piezoelektričnog vibratora s visokom akustičkom impedancijom u zračni medij s niskom akustičkom impedancijom. Ova tehnika usklađivanja temelji se na osiguranoj razmjeni zvuka vode. Metoda usklađivanja energije. U tablici su omjeri akustične impedancije podloge, piezoelektričnog elementa, odgovarajućeg materijala i-tog sloja i opterećenja zabilježeni kao ZB, Zo, Z, ZLo jer je omjer akustične impedancije ZL zraka 411 Pa·s/m, što je puno manje od akustične impedancije piezoelektričnog vibratora Zo. Stoga bi se za usklađivanje impedancije trebao koristiti niz odgovarajućih ultrazvučnih senzora dubine, tako da omjer akustične impedancije prelazi s visokog (površina zračenja piezoelektričnog diska) na niski 'glatki' prijelaz na zračno srednje opterećenje. Također uzimajući u obzir akustičnu atenuaciju materijala odgovarajućeg sloja. U gotovo svim teorijskim analizama i inženjerskoj praksi, debljina odgovarajućeg sloja se uzima kao (i to je valna duljina akustičnog vala materijala odgovarajućeg sloja) i naziva se 'sloj za podudaranje četvrt valne duljine'. Uzimajući u obzir promjenu frekvencijskih karakteristika pretvornika nakon nanošenja prilagodbenog sloja, debljinu prilagodbenog sloja također treba pomnožiti s koeficijentom debljine i uzeti vrijednost .