Akoestische impedantie van een piëzo-elektrische vibratortransducer van het schijftype

Piëzo-elektrische schijftype transducers bespreken de voor- en nadelen van verschillende vormen van ultrasone transducers. Gezien de prestaties, montageafmetingen en veldtesten van ultrasone afstandssensoren, worden piëzo-elektrische keramische schijven radiaal geselecteerd. De dikte van de trillingsmodus is de vibrator van de ultrasone transducer. Schijfpiëzo-elektrische vibrators werken op frequenties van 20 kHz tot 120 kHz. Uit de akoestische theorie is bekend dat de piëzo-elektrische vibrator met grote diameter en schijf in de lage frequentieband werkt en is ontwikkeld om een ​​grote afstand en een sterke gerichtheid te ontwikkelen. Ten eerste heeft de ontwerpmethode van de piëzo-elektrische schijftransducer de technologie voor akoestische impedantie-aanpassing en elektromechanische impedantie-aanpassing. Het theoretische probleem van de radiale/diktetrilling wordt bestudeerd. Vervolgens worden het ontwerp en de fabricage van de gecombineerde transducer besproken.

Het schematische diagram van de axiale verplaatsingsverdeling van een piëzo-elektrische vibrator van het schijftype is geconcentreerd in het midden van het stralingsoppervlak van de schijf. Daarom is voor dezelfde structurele afmetingen de richtingskarakteristiek van de piëzo-elektrische transducer van het schijftype (radiale / dikte-trilmodus) superieur aan die van de piëzo-elektrische transducer van het zuigertype (zuivere richtingskarakteristieken van de diktetrillingsmodus). Om de structurele grootte van de ultrasone sensor van het schijftype te bepalen om de afstand te meten, kan de relatieve verplaatsing R (straal) van de trillingsenergie van de piëzo-elektrische vibrator worden geschat door de bundelbreedteformule (3.11b) van de piëzo-elektrische vibrator van het zuigertype te berekenen om de piëzo-elektrische vibrator van het schijftype te schatten. Ervan uitgaande dat de piëzo-elektrische schijfvibrator werkt op een frequentie van 25 kHz, is de golflengte van de ultrasone golf in de lucht ongeveer 13,6 mm. Als de straalbreedte van de transducer 3 dB moet zijn, moet de straal van de piëzo-elektrische vibrator van het schijftype R ten minste gelijk zijn aan die van de piëzo-elektrische keramiek, en een piëzo-elektrische keramische schijf met een straal van R = 0,045 m wordt feitelijk geselecteerd als de transducervibrator. Hoe groter de straal van de schijf is, des te voordeliger is het om de richtingskarakteristieken van de schijf-piëzo-elektrische transducer te verbeteren. PZT-5 keramisch materiaal wordt gebruikt als transducer.

Er is sprake van akoestische impedantie-aanpassing wanneer de mismatch van de akoestische impedantieverhoudingen van de ultrasone afstandssensor niet alleen de transmissiecoëfficiënt van de interface vermindert, maar ook de piëzo-elektrische vibrator op een hoge waarde laat resoneren, dat wil zeggen dat de werkfrequentieband smal is en de golfvormresidutijd lang is, waardoor de sonde ernstig wordt beïnvloed. Zend-/ontvangstgevoeligheid, axiale resolutie en kanaalcapaciteit zijn bedoeld om dit fenomeen te vermijden. Het is noodzakelijk om antagonistische technieken voor akoestische impedantie-aanpassing te gebruiken, en het stralingsoppervlak van de piëzo-elektrische vibrator heeft een hoge akoestische impedantieverhouding en komt niet rechtstreeks in contact met het gasvormige medium dat een zeer lage akoestische impedantieverhouding heeft. 

In deze transducer worden drie verschillende bijpassende materialen gebruikt om geleidelijk over te gaan van het stralingsoppervlak van de piëzo-elektrische vibrator met hoge akoestische impedantie naar het luchtmedium met lage akoestische impedantie. Deze matchingtechniek is gebaseerd op de aangeboden watergeluidsuitwisseling. Methode voor energiematching. In de tabel worden de akoestische impedantieverhoudingen van de steun, het piëzo-elektrische element, het aanpassingsmateriaal van de ide laag en de belasting respectievelijk geregistreerd als ZB, Zo, Z, ZLo, omdat de akoestische impedantieverhouding ZL van lucht 411 Pa·s/m bedraagt, wat veel kleiner is dan de akoestische impedantie van de piëzo-elektrische vibrator Zo. Daarom moet een verscheidenheid aan bijpassende ultrasone dieptesensoren worden gebruikt voor impedantie-aanpassing, zodat de akoestische impedantieverhouding overgaat van een hoge (piëzo-elektrische schijf stralend oppervlak) naar een lage 'gladde' overgang naar een gemiddelde luchtbelasting. Houd ook rekening met de akoestische demping van het bijpassende laagmateriaal. In bijna alle theoretische analyse- en technische praktijken wordt de dikte van de aanpassingslaag genomen als (en is dit de golflengte van de akoestische golf van het materiaal van de aanpassingslaag) en wordt deze de 'kwartgolflengte aanpassingslaag' genoemd. Rekening houdend met de verandering van de frequentiekarakteristieken van de transducer nadat de aanpassingslaag is aangebracht, moet de dikte van de aanpassingslaag ook worden vermenigvuldigd met een diktecoëfficiënt, en de waarde wordt genomen.