analiza teoretyczna przetworników ultradźwiękowych w trybie wibracyjnym

Kiedy osiowe i promieniowe współczynniki elektromechaniczne wibratora piezoelektrycznego typu dyskowego są stosunkowo duże, jednowymiarowa teoria ustalona na podstawie czystego modelu promieniowego lub modelu czystej grubości nie jest wystarczająco dokładna. Pomiędzy teoretyczną wartością obliczoną a wartością eksperymentalną. Błąd przetworników ultradźwiękowych jest duży. Dlatego konieczne jest zrozumienie obwodu zastępczego trybu drgań sprzężenia promieniowego/grubościowego wibratora piezoelektrycznego typu dyskowego i wyprowadzenie izotropowego trybu drgań swobodnych wibratora piezoelektrycznego typu dyskowego w pewnych przybliżonych warunkach. W porównaniu z teorią jednowymiarową, teoria dwuwymiarowa dokładniej odzwierciedla średnicę procesu wibracyjnego wibratora piezoelektrycznego typu tarczowego i obwód zastępczy wibratora piezoelektrycznego, gdy jest on gęsto sprzęgnięty. Aby przeanalizować charakterystykę elektromechaniczną wibratora piezoelektrycznego dyskowego, I reprezentuje odpowiednio napięcie i prąd zasilania wzbudzenia, a F oznacza odpowiednio przemieszczenie i całkowity nacisk na odpowiednie powierzchnie.

 Wiadomo, że wibrator piezoelektryczny jest wykonany z piezoelektrycznego dysku ceramicznego PZT i jest spolaryzowany wzdłuż osi Z, a na obu końcach dysku znajduje się warstwa srebra, która pełni rolę elektrody, a na oba końce elektrody przykładane jest napięcie wzbudzenia. Gdy wymiar grubości dysku różni się znacznie od wymiaru promieniowego, można go traktować jako tryb wibracji o czystej grubości lub tryb wibracji o czystym promieniu; i odwrotnie, należy rozważyć problem koordynacji elektromechanicznej pomiędzy grubością a promieniowym kierunkiem piezoelektrycznego dysku ceramicznego. Z równania ruchu, czyli równania piezoelektrycznego i równania ładunku swobodnego, można wyprowadzić całkowite ciśnienie działające na trzy powierzchnie dysku.

Zakres częstotliwości roboczej przetwornika ultradźwiękowego z dyskiem piezoelektrycznym wynosi od 2225 kHz. Gdy pomiędzy przetwornikiem a mierzonym celem występuje względny ruch, częstotliwość sygnału echa może spaść poza pasmo robocze przetwornika z powodu efektu Dopplera. Istnieją dwa sposoby rozwiązania tego problemu: po pierwsze, użycie dwóch lub więcej przetworników o różnych częstotliwościach rezonansowych (centralnych) w celu utworzenia układu, to znaczy nałożenie pasm częstotliwości wielu przetworników ma na celu rozszerzenie przetwornika i szerokości pasma układu; Połączona struktura przetwornika służy do uzyskania częstotliwości odbiorczej szerokości pasma przetwornika w paśmie nadawczym ultradźwiękowego czujnika pomiaru odległości.

 Pierwsza z nich to konstrukcja o dużej matrycy, często używana w sonarach podwodnych; ten ostatni to schemat konstrukcyjny zaproponowany w tym artykule, który wykorzystuje małe rozmiary, niski koszt i wysoką czułość przetwornika oraz rozdziela przetwornik jako pomocniczy odbiornik ciśnienia. Wokół elektrycznego przetwornika dyskowego (odbiorczego i nadawczego) utworzony jest okrągły układ przetworników, który umożliwia połączonemu przetwornikowi odbieranie sygnałów echa poza pasmem piezoelektrycznego przetwornika dyskowego. W przypadku czujnika odległości montowanego w pojeździe bardziej praktyczne jest niezawodne wykrywanie poruszającego się obiektu, który zbliża się z dużą prędkością, niż wykrywanie poruszającego się obiektu, który jest daleko. Z efektu Dopplera można dowiedzieć się, że gdy fala ultradźwiękowa oddziałuje na nadlatujący, poruszający się z dużą prędkością cel, częstotliwość odbitego sygnału echa zostanie przesunięta w górę (wyżej niż częstotliwość transmitowanego sygnału). W tym celu dolna częstotliwość robocza ultradźwiękowego czujnika odległości musi być wyższa niż górna częstotliwość robocza przetwornika pierwotnego.