analisi teorica dei trasduttori ultrasonici in modalità vibrazione

Quando i fattori elettromeccanici assiali e radiali del vibratore piezoelettrico a disco sono relativamente forti, la teoria unidimensionale stabilita dal modello radiale puro o dal modello a spessore puro non è sufficientemente accurata. Tra il valore teorico calcolato e il valore sperimentale. L'errore dei trasduttori a ultrasuoni è ampio. Pertanto, è necessario comprendere il circuito equivalente della modalità di vibrazione dell'accoppiamento radiale/spessore del vibratore piezoelettrico a disco e ricavare la modalità di vibrazione libera isotropica del vibratore piezoelettrico a disco in alcune condizioni approssimative. Rispetto alla teoria unidimensionale, la teoria bidimensionale riflette in modo più accurato il diametro del processo di vibrazione del vibratore piezoelettrico a disco e il circuito equivalente del vibratore piezoelettrico quando è ad accoppiamento spesso. Per analizzare le caratteristiche elettromeccaniche del vibratore piezoelettrico a disco, rappresento rispettivamente la tensione e la corrente di alimentazione di eccitazione e F rappresenta rispettivamente lo spostamento e la pressione totale sulle rispettive superfici.

 È noto che un vibratore piezoelettrico è costituito da un disco ceramico piezoelettrico PZT ed è polarizzato lungo l'asse z, e uno strato d'argento è placcato su entrambe le estremità del disco come elettrodo e una tensione di eccitazione viene applicata a entrambe le estremità dell'elettrodo. Quando la dimensione dello spessore del disco differisce notevolmente dalla dimensione radiale, può essere trattata come una modalità di vibrazione dello spessore puro o una modalità di vibrazione radiale pura; va invece considerato il problema del coordinamento elettromeccanico tra lo spessore e la direzione radiale del disco ceramico piezoelettrico. Dall'equazione del moto, cioè dall'equazione piezoelettrica e dall'equazione della carica libera, si può derivare la pressione totale agente sulle tre superfici del disco.

La gamma di frequenza operativa del trasduttore ultrasonico a disco piezoelettrico è compresa tra 2225 kHz. Quando c'è movimento relativo tra il trasduttore e l'oggetto da misurare, la frequenza del segnale eco potrebbe non rientrare nella banda operativa del trasduttore a causa dell'effetto doppler. Esistono due modi per risolvere questo problema: in primo luogo, utilizzare due o più trasduttori con frequenze di risonanza (centrali) diverse per formare un array, ovvero sovrapporre bande di frequenza di più trasduttori significa espandere il trasduttore e la larghezza di banda dell'array; la struttura combinata del trasduttore viene utilizzata per creare la frequenza di ricezione della larghezza di banda del trasduttore nella banda di trasmissione del sensore di misurazione della distanza a ultrasuoni.

 La prima è una struttura di grandi dimensioni spesso utilizzata dai sonar subacquei; quest'ultimo è lo schema strutturale proposto in questo lavoro, che sfrutta le dimensioni ridotte, il basso costo e l'elevata sensibilità del trasduttore, e distribuisce il trasduttore come ricevitore ausiliario alla pressione. Attorno al trasduttore a disco elettrico (di tipo ricevente e trasmittente), è formata una serie circolare di trasduttori, che consente al trasduttore combinato di ricevere segnali di eco al di fuori della banda del trasduttore a disco piezoelettrico. Essendo un sensore di distanza montato su un veicolo, è più pratico poter rilevare in modo affidabile un oggetto in movimento che si avvicina ad alta velocità piuttosto che rilevare un oggetto in movimento che è lontano. Dall'effetto doppler si può sapere che quando l'onda ultrasonica agisce su un bersaglio in movimento ad alta velocità in arrivo, la frequenza del segnale eco riflesso verrà spostata verso l'alto (superiore alla frequenza del segnale trasmesso). A tal fine, la frequenza operativa inferiore della schiera anulare del sensore di distanza a ultrasuoni deve essere superiore alla frequenza operativa superiore del trasduttore primario.