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(wèn)題是設計一種作用距離大、頻帶寬的換能器。換能器由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤(pán)換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤(pán)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(gè)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(dòng)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(dòng)系統的狀態(tài)方程式和電路系統狀態(tài)方程式.換能器機械系統的狀態(tài)方程式 (簡(jiǎn)稱(chēng)為機械振動(dòng)方程 )是換能器處于工作狀態(tài)時(shí) ,描寫(xiě)它的機械振動(dòng)系統的力與振速的關(guān)系式 ,而電路系統的狀態(tài)方程式 (簡(jiǎn)稱(chēng)電路狀態(tài)方程式 )是描寫(xiě)電路系統的振動(dòng)特性的. 由于換能器的機械系統和電路系統是互相耦合的 ,所以機械系統的振動(dòng)會(huì )影響到電路的平衡 ,而電路的變化也會(huì )影響到機械系統的振動(dòng) ,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計過(guò)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. 其中與換能器設計有關(guān)的問(wèn)題主要是結構分析、壓電耦合分析、流體 - 結構耦合分析 ,有時(shí)還要用到電磁場(chǎng)分析、熱分析等. 用 ANSYS設計分析換能器的突出優(yōu)點(diǎn)是不受換能器結構及尺寸的限制 ,可進(jìn)行復雜結構換能器的設計. 利用有限元軟件進(jìn)行換能器的設計能方便地計算出換能器的諧振頻率 ,觀(guān)察諧振時(shí)換能器各部分的位移分布 ,得到換能器的導納曲線(xiàn)、發(fā)射接收的頻率響應曲線(xiàn)和指向性圖 ,還可進(jìn)行換能器的結構優(yōu)化。