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结构尺寸和材料组成对换能器频带宽度的影响

宋希阳  
【摘要】: 随着夹心式宽带换能器在功率超声中的应用越来越广,频带展宽技术已成为压电超声换能器的一个重要发展趋势。围绕有效拓宽频带这一问题,换能器研究者们采用了不同的方法,其中大多数都是从增加换能器振动模态和激励方式的角度出发来实现频带展宽,但还未提出在设计宽带换能器时要使带宽最优化,对换能器自身材料组成及结构尺寸的选择规律。 夹心式换能器具有体积小,结构坚固,较高频率响应,温度稳定性好,电声效率高等特点,在功率超声中被广泛研究和应用。它的性能好坏与换能器的选材和制作工艺有着密切的联系,其中换能器的频带宽度就是由其自身的机械品质因数Qm值决定的。通常情况下希望获得较低的Qm值以达到频带展宽的目的,而调节换能器前后盖板的材料组成和几何尺寸可有效降低换能器的机械品质因数。 本文在夹心式换能器的基础上,从一维纵向振动理论出发,比较全面的研究了夹心式换能器的材料组成及结构尺寸对频带宽度的影响。在不同的条件下,通过选择合理的前后盖板材料、长度、直径、锥度,可使换能器的频带宽度得到优化。主要工作如下: 1、根据夹心式换能器的机电等效电路图,推导了换能器的整体频率方程。以换能器的后盖板和压电陶瓷晶堆交界面为参考面,推导了换能器集中参数系统下的等效质量Me、负载阻R'm、机械品质因数Qm的表达式,并计算了换能器的频带宽度Δf。 2、只改变后盖板长度或直径,得出了换能器频带宽度随后盖板径长比的变化规律。频带宽度则随着后盖板径长比的增加而先增大后减小,且当后盖板径长比约为1时可得最优带宽。短粗形后盖板换能器的带宽要优于细长形后盖板换能器的频带宽度 3、同时改变后盖板的直径和长度,得出了换能器各参量及频带宽度随后盖板径长比的变化规律。频带宽度是随后盖板径长比的增加而单调递增,且短粗形后盖板换能器的带宽要优于细长形后盖板换能器的频带宽度。 4、只改变前盖板大端面直径或小端面直径,得出了换能器频带宽度随前盖板锥度的变化关系曲线,频带宽度均将随锥度的增加而先增大后减小,且锥度F约为1时,其带宽最好。 5、只改变前盖板长度lf,得出了换能器频带宽度与前盖板长度的变化规律,频带宽度随着前盖板长度的增加而先增大后减小,对应某一长度,频带宽度可获得最优值。 6、比较了在同谐振频率下,前后盖板的尺寸变化对换能器的频带宽度的优化程度,前盖板尺寸变化对换能器频带宽度的影响比后盖板尺寸对带宽的影响大,且拓宽频带宽度的效果明显。 7、通过选用不同的前后盖板材料,比较了各换能器的频带宽度,当前盖板采用硬铝而后盖板采黄铜时的带宽较好。


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