Impedancja akustyczna piezoelektrycznego przetwornika wibracyjnego typu dyskowego

Przetworniki piezoelektryczne omawiają zalety i wady różnych form przetworników ultradźwiękowych. Biorąc pod uwagę wydajność, wymiary montażowe i testy terenowe ultradźwiękowych czujników odległości, piezoelektryczne dyski ceramiczne dobiera się promieniowo/grubość trybu wibracji jest wibratorem przetwornika ultradźwiękowego. Wibratory piezoelektryczne tarczowe pracują w zakresie częstotliwości od 20 kHz do 120 kHz. Z teorii akustycznej wiadomo, że wibrator piezoelektryczny typu dyskowego o dużej średnicy, pracujący w paśmie niskich częstotliwości, jest opracowany w celu uzyskania dużej odległości i silnej kierunkowości. Po pierwsze, metoda projektowania dyskowego przetwornika piezoelektrycznego obejmuje technologię dopasowania impedancji akustycznej i elektromechanicznego dopasowania impedancji. Badano teoretyczne zagadnienie drgań promieniowych/grubościowych. Następnie omawiany jest projekt i wytwarzanie połączonego przetwornika.

Schematyczny diagram rozkładu przemieszczenia osiowego wibratora piezoelektrycznego typu dyskowego jest skoncentrowany w środku powierzchni promieniującej dysku, dlatego przy tych samych wymiarach konstrukcyjnych charakterystyka kierunkowa przetwornika piezoelektrycznego typu dyskowego (tryb wibracji promieniowych/grubościowych) jest lepsza niż w przypadku przetwornika piezoelektrycznego tłokowego (czysta charakterystyka kierunkowa trybu wibracji grubości). W celu określenia wymiarów konstrukcyjnych dyskowego czujnika ultradźwiękowego do pomiaru odległości, można oszacować względne przemieszczenie energii drgań R (promień) wibratora piezoelektrycznego, obliczając wzór na szerokość belki (3.11b) wibratora piezoelektrycznego tłokowego w celu oszacowania wibratora piezoelektrycznego typu dyskowego. Zakładając, że dyskowy wibrator piezoelektryczny pracuje z częstotliwością 25 kHz, długość fali fali ultradźwiękowej w powietrzu wynosi około 13,6 mm. Jeżeli wymagana jest szerokość wiązki przetwornika wynosząca 3 dB, promień wibratora piezoelektrycznego typu dyskowego R powinien być co najmniej równy promieniowi ceramiki piezoelektrycznej, a na wibrator przetwornika faktycznie wybiera się piezoelektryczny dysk ceramiczny o promieniu R=0,045 m. Im większy promień dysku, tym korzystniejsze jest polepszenie charakterystyki kierunkowej dyskowego przetwornika piezoelektrycznego. Jako przetwornik zastosowano materiał ceramiczny PZT-5.

Dopasowanie impedancji akustycznej ma miejsce, gdy niedopasowanie współczynników impedancji akustycznej ultradźwiękowego czujnika odległości nie tylko zmniejsza współczynnik transmisji interfejsu, ale także powoduje, że wibrator piezoelektryczny rezonuje z dużą wartością, to znaczy pasmo częstotliwości roboczej jest wąskie, a czas szczątkowy kształtu fali jest długi, co poważnie wpływa na sondę. Czułość nadawania/odbioru, rozdzielczość osiowa i pojemność kanału mają na celu uniknięcie tego zjawiska, konieczne jest zastosowanie techniki antagonistycznej dopasowywania impedancji akustycznej, a powierzchnia promieniująca wibratora piezoelektrycznego ma wysoki współczynnik impedancji akustycznej i nie styka się bezpośrednio z medium gazowym, które ma bardzo niski stosunek impedancji akustycznej. 

W tym przetworniku zastosowano trzy różne materiały dopasowujące, aby stopniowo przejść od powierzchni promieniującej wibratora piezoelektrycznego o wysokiej impedancji akustycznej do ośrodka powietrznego o niskiej impedancji akustycznej. Ta technika dopasowywania opiera się na zapewnionej wymianie dźwięków wody. Metoda dopasowywania energii. W tabeli stosunki impedancji akustycznej podłoża, elementu piezoelektrycznego, materiału dopasowującego i-tą warstwę i obciążenia są odpowiednio zapisane jako ZB, Zo, Z, ZLo, ponieważ stosunek impedancji akustycznej ZL powietrza wynosi 411 Pa·s/m, czyli jest znacznie mniejszy niż impedancja akustyczna wibratora piezoelektrycznego wynosząca Zo. Dlatego też do dopasowywania impedancji należy używać różnych ultradźwiękowych czujników głębokości, tak aby stosunek impedancji akustycznej zmieniał się z wysokiego (powierzchnia promieniująca dysku piezoelektrycznego) do niskiego, „płynnego” przejścia do obciążenia medium powietrznym. Uwzględniono także tłumienie akustyczne odpowiedniego materiału warstwowego. W prawie wszystkich analizach teoretycznych i praktyce inżynierskiej grubość warstwy dopasowującej jest przyjmowana jako (i jest długością fali fali akustycznej materiału warstwy dopasowującej) i nazywana jest „warstwą dopasowującą o ćwierć długości fali”. Biorąc pod uwagę zmianę charakterystyki częstotliwościowej przetwornika po nałożeniu warstwy dopasowującej, grubość warstwy dopasowującej należy również pomnożyć przez współczynnik grubości i przyjąć wartość .