超聲波換能器有限元計算方法的運用

　　超聲波換能器的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。
 

　　超聲波換能器，要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種作用距離大、頻帶寬的換能器。換能器由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成，Cymbal陣列接收器由8～16只Cymbal換能器、兩個金屬圓環(huán)和橡膠墊圈組成。本發(fā)明的作用距離大于35m，頻帶寬度達到10kHz，能檢測高速移動的遠距離目標。
 

　　超聲波換能器有限元計算方法的運用，為了確定換能器的工作狀態(tài) ,必須求出它的機械振動系統(tǒng)的狀態(tài)方程式和電路系統(tǒng)狀態(tài)方程式.換能器機械系統(tǒng)的狀態(tài)方程式 (簡稱為機械振動方程 )是換能器處于工作狀態(tài)時 ,描寫它的機械振動系統(tǒng)的力與振速的關(guān)系式 ,而電路系統(tǒng)的狀態(tài)方程式 (簡稱電路狀態(tài)方程式 )是描寫電路系統(tǒng)的振動特性的. 由于換能器的機械系統(tǒng)和電路系統(tǒng)是互相耦合的 ,所以機械系統(tǒng)的振動會影響到電路的平衡 ,而電路的變化也會影響到機械系統(tǒng)的振動 ,因此我們總是利用這些方程組分析、討論換能器的工作特性。
 

　　在超聲波換能器的設(shè)計過程中 ,有限元計算方法得到了青睞 ,其中普遍的商用軟件就是ANSYS. 其中與換能器設(shè)計有關(guān)的問題主要是結(jié)構(gòu)分析、壓電耦合分析、流體 - 結(jié)構(gòu)耦合分析 ,有時還要用到電磁場分析、熱分析等. 用 ANSYS設(shè)計分析換能器的突出優(yōu)點是不受換能器結(jié)構(gòu)及尺寸的限制 ,可進行復雜結(jié)構(gòu)換能器的設(shè)計. 利用有限元軟件進行換能器的設(shè)計能方便地計算出換能器的諧振頻率 ,觀察諧振時換能器各部分的位移分布 ,得到換能器的導納曲線、發(fā)射接收的頻率響應曲線和指向性圖 ,還可進行換能器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。