Impedenza acustica di un trasduttore vibratore piezoelettrico a disco

I trasduttori a disco piezoelettrico discutono i vantaggi e gli svantaggi di varie forme di trasduttore a ultrasuoni. Considerando le prestazioni, le dimensioni di montaggio e i test sul campo dei sensori a ultrasuoni, vengono selezionati i dischi piezoelettrici in ceramica, il radiale/spessore della modalità di vibrazione è il vibratore del trasduttore ultrasonico. I vibratori piezoelettrici a disco funzionano a frequenze che vanno da 20 kHz a 120 kHz. È noto dalla teoria acustica che il vibratore piezoelettrico a disco di grande diametro funziona nella banda a bassa frequenza ed è sviluppato per sviluppare una grande distanza e una forte direttività. In primo luogo, il metodo di progettazione del trasduttore piezoelettrico del disco prevede la tecnologia di adattamento dell'impedenza acustica e dell'adattamento dell'impedenza elettromeccanica. Viene studiato il problema teorico delle vibrazioni vibranti radiali/spessori. Successivamente vengono discussi la progettazione e la fabbricazione del trasduttore combinato.

Il diagramma schematico della distribuzione dello spostamento assiale di un vibratore piezoelettrico a disco è concentrato al centro della superficie radiante del disco, pertanto, a parità di dimensioni strutturali, la caratteristica direzionale del trasduttore piezoelettrico a disco (modalità di vibrazione radiale/spessore) è superiore a quella del trasduttore piezoelettrico a pistone (caratteristiche direzionali pure della modalità di vibrazione a spessore). Per determinare la dimensione strutturale del sensore a ultrasuoni a disco per misurare la distanza, lo spostamento relativo R (raggio) dell'energia di vibrazione del vibratore piezoelettrico può essere stimato calcolando la formula della larghezza del fascio (3.11b) del vibratore piezoelettrico a pistone per stimare il vibratore piezoelettrico a disco. Supponendo che il vibratore piezoelettrico a disco funzioni ad una frequenza di 25 kHz, la lunghezza d'onda dell'onda ultrasonica nell'aria è di circa 13,6 mm. Se si richiede che la larghezza del fascio del trasduttore sia 3 dB, il raggio del vibratore piezoelettrico del tipo a disco R dovrebbe essere almeno uguale alla ceramica piezoelettrica e un disco ceramico piezoelettrico con un raggio di R = 0,045 m viene effettivamente selezionato come vibratore del trasduttore. Maggiore è il raggio del disco, più vantaggioso è migliorare le caratteristiche direzionali del trasduttore piezoelettrico del disco. Come trasduttore viene utilizzato il materiale ceramico PZT-5.

L'adattamento dell'impedenza acustica si verifica quando la mancata corrispondenza dei rapporti di impedenza acustica del sensore di distanza a ultrasuoni non solo riduce il coefficiente di trasmissione dell'interfaccia, ma fa anche risuonare il vibratore piezoelettrico a un valore elevato, ovvero la banda di frequenza di lavoro è stretta e il tempo residuo della forma d'onda è lungo, compromettendo così gravemente la sonda. La sensibilità di trasmissione/ricezione, la risoluzione assiale e la capacità del canale servono per evitare questo fenomeno, è necessario utilizzare una tecnica antagonista di adattamento dell'impedenza acustica e la superficie radiante del vibratore piezoelettrico ha un rapporto di impedenza acustica elevato e non entra direttamente in contatto con il mezzo gassoso che ha un rapporto di impedenza acustica molto basso. 

In questo trasduttore vengono utilizzati tre diversi materiali di adattamento per passare gradualmente dalla superficie radiante del vibratore piezoelettrico con elevata impedenza acustica al mezzo aereo con bassa impedenza acustica. Questa tecnica di adattamento si basa sullo scambio sonoro dell'acqua fornito. Metodo di abbinamento energetico. Nella tabella, i rapporti di impedenza acustica del supporto, dell'elemento piezoelettrico, del materiale di adattamento dello strato e del carico sono rispettivamente registrati come ZB, Zo, Z, ZLo perché il rapporto di impedenza acustica ZL dell'aria è 411 Pa·s/m, che è molto più piccolo dell'impedenza acustica del vibratore piezoelettrico è Zo. Pertanto, è necessario utilizzare una varietà di sensori di profondità a ultrasuoni corrispondenti per l'adattamento dell'impedenza, in modo che il rapporto di impedenza acustica passi da una transizione alta (superficie radiante del disco piezoelettrico) a una transizione bassa 'liscia' a un carico medio d'aria. Considerando anche l'attenuazione acustica del materiale dello strato corrispondente. In quasi tutte le analisi teoriche e nella pratica ingegneristica, lo spessore dello strato corrispondente è considerato (ed è la lunghezza d'onda dell'onda acustica del materiale dello strato corrispondente) ed è chiamato 'strato corrispondente a un quarto d'onda'. Considerando la variazione delle caratteristiche di frequenza del trasduttore dopo l'applicazione dello strato corrispondente, anche lo spessore dello strato corrispondente deve essere moltiplicato per un coefficiente di spessore e viene preso il valore .