1、第7章 壓電聲傳感器第第7章章 壓電聲傳感器壓電聲傳感器 7.1 厚度振動換能器厚度振動換能器7.2 圓柱形壓電換能器圓柱形壓電換能器 7.3 復合棒壓電換能器復合棒壓電換能器7.4 壓電陶瓷雙疊片彎曲振動換能器壓電陶瓷雙疊片彎曲振動換能器第7章 壓電聲傳感器7.1 厚度振動換能器厚度振動換能器 厚度振動換能器是利用壓電陶瓷的厚度振動方式,任務頻率普通從幾百kHz至十幾MHz廣泛運用于超聲技術中。圖7.1為厚度振動換能器構造圖。壓電晶片通常為圓片。維護膜的作用是防止晶片與外界接觸和磨損,并起聲阻抗匹配作用。背襯由環氧樹脂和鎢粉混合固化而成,用于添加機械阻尼,擴展帶寬,減小波形失真,提高分辨率。

2、第7章 壓電聲傳感器 圖7.2是超聲檢測中實踐運用的探頭的構造剖面圖。圖(a)為直探頭,聲波垂直入射。圖(b)為斜探頭,聲波以一定角度入射。 從探頭的構造可見,厚度振動換能器主要由壓電陶瓷晶片、維護膜和背襯組成。這三部分決議了厚度振動換能器的主要特性,下面就以圖7.3所示的厚度振動換能器的這一實際模型研討這種換能器的性能。圖中1為維護膜,2為背襯,3為壓電晶片。由于篇幅所限,以下只列出主要結果,讀者假設要了解詳細推導過程,可參看本章參考文獻2。 第7章 壓電聲傳感器圖7.1 厚度振動換能器構造圖 外殼電纜電極引線背襯壓電晶片保護膜第7章 壓電聲傳感器圖7.2 超聲檢測中實踐運用的探頭構造 第7

3、章 壓電聲傳感器圖7.3 厚度振動換能器的實際模型 4123第7章 壓電聲傳感器 從晶體的壓電方程、運動方程、幾何方程和邊境條件,可導出如圖7.4所示的厚度振動晶片的機電等效圖。圖中,、v、t和S分別表示晶片的密度、聲速、厚度和截面積,C0=S/(tS33)為晶片截止電容,n=Sh33/(S33t)為機電轉換系數, 、 和F1、F2表示晶片兩端的振速和所受外力。12第7章 壓電聲傳感器 維護膜和背襯的等效機電圖如圖7.5所示。對維護 。對背襯只 需將下標1改為2,那么Z1和Z2有一樣的表達式。 由圖7.4和圖7.5,利用交界面力和速度延續的邊境條件,可得到如圖7.6所示的厚度振動換能器的機電等

4、效圖。圖中Zs為輻射聲阻抗。有了此等效圖，分析換能器的機電性能就比較容易了。 1 11 1111 1121 1tan,2sink tv SZjv SZjk t第7章 壓電聲傳感器圖7.4 厚度振動晶片的機電等效圖121 : nC0 C0IUF1F22tanjktvS2tanjktvSktvSsinj第7章 壓電聲傳感器圖7.5 維護膜和背襯的等效機電圖 12F1F2Z1Z1Z2第7章 壓電聲傳感器 假設設背襯的機械阻抗為無限大這近似普通的實踐情況,即圖7.6中的22端開路,可得輻射面共振10最大的共振條件為1 111 11 1cossin0sv S Xk tRZk t式中 221 11 112

5、201 111 11 1121 1221 11 11tancot1() 1() tan1tan1() tanssssnZk tXvSktv SZCv Sk tv Sk tRZZk tv S第7章 壓電聲傳感器 輻射面共振時的輻射聲功率為 21 111 111 11 1()cossinassv SZv S Rk tZ Xk t接納時,在聲壓p的作用下,低頻時的開路輸出電壓為 112220011 1()nS pnS ptUv Sv SCCS tt可見,在很低頻率時,開路輸出電壓是與頻率無關的常數。第7章 壓電聲傳感器圖7.6 厚度振動換能器的機電等效圖 1101 : nC0 C0IU2tanjkt

6、vSktvSsinj22112tanj22222tkSv2tanj11111tkSv22222sinjtkSv11111sinjtkSvZs第7章 壓電聲傳感器7.2 圓柱形壓電換能器圓柱形壓電換能器 圓柱形壓電換能器的轉換元件為一壓電陶瓷圓管,極化方向常沿著半徑方向(徑向極化)和長度方向(縱向極化),作接納換能器時,有時極化方向也沿著圓周的切線方向(切向極化)。當換能器任務于發射形狀時,壓電陶瓷圓管在電場的作用下,借助反向壓電效應,發生伸張或收縮,從而向媒質發射聲波。 第7章 壓電聲傳感器 當換能器任務于接納形狀時,壓電陶瓷圓管在聲信號的作用下發生伸張或收縮,借助正向壓電效應,轉換為電信號輸

7、出。 圓管內部常充以反射資料或吸聲資料,振子置于充油的外殼中或直接在外部硫化一層透聲橡膠和澆注一層高分子資料。圓柱形壓電換能器沿半徑方向有均勻的指向性、有較高的靈敏度,且構造較簡單,因此廣泛用于水聲技術、超聲技術、海洋開發和地質勘探中,并常用來作規范接納換能器。 第7章 壓電聲傳感器 圖7.7為一圓柱形水聽器的構造,圖中,1同軸電纜,2金屬套筒,3橡皮護套和襯墊,4壓電陶瓷圓管,5釋壓資料,6金屬端帽。在低頻遠低于共振頻率時,這種換能器的接納靈敏度有平坦的呼應。較小的圓管有較高的共振頻率,可獲得較寬的、平坦的頻帶寬度,但靈敏度將有所降低。第7章 壓電聲傳感器 圖7.7 圓柱形水聽器的構造 3.

8、18 cm456321第7章 壓電聲傳感器 7.2.1 薄壁圓管的共振頻率方程 長為l,平均半徑為a,邊境自在的薄壁圓管的共振頻率方程為22222241()()rv 式中,l=v/l,r=v/a,v為聲速,為泊松系數,=1,3,5 下面思索幾種特殊情形當1時: (1) a0 01EvYll 即為長l的棒的共振角頻率。式中,為密度,YE0為楊氏模量。 第7章 壓電聲傳感器 (2) l0 01ErvYaa即為平均半徑為a的薄圓環徑向振動的共振角頻率。 (3) l0221(1)1ErYa為無窮長的薄壁圓管徑向共振角頻率。第7章 壓電聲傳感器 (4) l=r即a=l 01(1)1ErYa或寫成 0(1

9、)EYl為長度等于半周長的薄圓管的耦合共振角頻率。 第7章 壓電聲傳感器 7.2.2 開路接納電壓靈敏度 當頻率遠低于第一個共振頻率時接納靈敏度有平坦的呼應。接納靈敏度還和圓柱水聽器的兩端力學邊境條件有關。對于管端自在聲屏蔽的力學邊境條件得到的低頻時的開路接納電壓靈敏度為333111abMb ggab其中,a和b分別為圓管的內外徑,g33和g31為壓電常數。 第7章 壓電聲傳感器7.3 復合棒壓電換能器復合棒壓電換能器 復合棒壓電換能器,也稱為夾心式壓電換能器或喇叭形壓電換能器,是一種常用的大功率發射換能器。它以較小的分量和體積獲得大的聲能密度而廣泛地用于水聲和超聲技術中。這種換能器用于接納亦

10、有較高的靈敏度。復合棒壓電換能器振子構造表示圖如圖7.8所示。圖中,1金屬前蓋板,2電極引線,3金屬節板,4壓電陶瓷晶片堆,5預應力螺釘,6金屬后蓋板。圖7.9為復合棒壓電換能器外形圖。第7章 壓電聲傳感器圖7.8 復合棒壓電換能器振子構造表示圖654321第7章 壓電聲傳感器 圖7.9 復合棒壓電換能器外形圖 第7章 壓電聲傳感器 壓電陶瓷晶片安放時要留意:每相鄰兩片的極化方向相反;晶片的數目普通成偶數,以使前后金屬蓋板與同一極性的電極相連,否那么在前后蓋板與晶片之間要墊以絕緣墊圈。每兩片晶片之間、以及晶片和金屬蓋板之間通常夾以薄黃銅片(普通厚度小于0.1mm),作為焊接電極引線用。振子經過

11、節板固定在外殼或支架上,金屬節板的位置設計在振子振動的節面上。為了盡量減輕振子與外殼的機械耦合,在保證節板支撐強度的情況下,節板盡能夠的薄一些,有時在稍大于晶片直徑的圓周上車一槽,添加其順性。 第7章 壓電聲傳感器 晶片、電極銅片、金屬節板和金屬前后蓋板之間用環氧樹脂膠合。由于壓電陶瓷的抗壓應力遠大于抗拉應力;膠合層在大振幅的情況下通常也在拉伸階段遭到破壞,所以加上預應力螺釘把振子的晶片和膠合部分加上預壓應力。加上預應力螺釘對共振頻率有小的影響,而電聲效率不變,所接受的最大功率卻要添加數倍。金屬前蓋板通常采用硬鋁或鎂鋁合金等輕金屬,后蓋板通常采用鋼或黃銅。前蓋板采用輕金屬,后蓋板用重金屬,是為

12、了得到大的前后蓋板的位移比。 第7章 壓電聲傳感器 由動量守恒定律,節板兩邊的動量要相等,那么其速度與密度成反比。在利用鋁和鋼作為前蓋板和后蓋板時,其位移比約為三比一。在這種情況下輕金屬外表(輻射面位移較大,將輻射出振子中儲存的振動能量的較大部分。 金屬前蓋板設計成喇叭形,可以降低機械Q值,并能調理換能器的指向性。在超聲加工等技術中,為在任務端得到大位移,那么將金屬前蓋板設計成錐形、指數型或懸鏈形,稱為變幅桿。陶瓷片的厚度以及選用陶瓷片數目的多少,需求進展仔細全面地思索。 第7章 壓電聲傳感器 它和換能器的電阻抗、機械Q值、指向性以及機電耦合系數都有關系。普通取陶瓷片的總長度(片厚乘以片數)為

13、換能器振子總長的三分之一左右較為適宜。第7章 壓電聲傳感器 7.3.1 復合棒壓電振子的機電等效圖 從圖7.8和圖7.9中可以看出,復合棒壓電振子的構造比較復雜,但它們不外是由喇叭形蓋板、圓柱形蓋板和圓柱壓電陶瓷晶片堆等三種根本元件組合而成的。只需推導出這三種根本元件的機電等效圖,就能得到較復雜的喇叭形壓電振子的機電等效圖,從而也就可以處理機電換能的一系列問題了。下面討論如圖7.10所示的,由金屬喇叭形前蓋板、圓柱壓電陶瓷晶片堆和金屬圓柱形后蓋板組成的振子。 第7章 壓電聲傳感器 實踐振子的振動比較復雜,在下面的討論中,假定在所討論的頻率范圍內,振子的總長可以和波長相比,而振子的最大直徑比波長

14、小得多,那么整個振子可近似看作為一復合捧,即振子只沿軸向作一維振動。圖7.10 簡化的喇叭形壓電振子 第7章 壓電聲傳感器圖7.11 壓電晶片堆的機電等效圖0p1 : npC0IUF0FpZ1pZ1pZ2p第7章 壓電聲傳感器 由p個一樣的陶瓷片組成的晶片堆的機電等效圖,為p個單個晶片的機電等效圖的級聯。根據級聯實際,其機電等效圖如圖7.11所示。圖中12233033331tan()2sin()(1),peeepeTEssZj vPk lv SZjPk lSSdCknllS第7章 壓電聲傳感器 由運動方程和邊境條件可推導出喇叭形前蓋板的等效機電圖,如圖7.12所示。圖中1和S2分別表示喇叭脛和

15、喇叭口的截面積。以下標2表示喇叭形前蓋板的常數。圓柱形后蓋板的等效機電圖與圖7.5有一樣的方式,只是其中1 111 111 1121 1tan2sink lZjv Sv SZjk l 式中,S1為圓柱形后蓋板的截面積。以下標1表示圓柱形后蓋板的常數。第7章 壓電聲傳感器 由喇叭形前蓋板的等效機電圖、壓電晶片堆的機電等效圖和圓柱形后蓋板的等效機電圖,可得圖7.13所示的復合棒壓電振子的機電等效圖。圖中1 1111 111 1111 11112tan2sin1tan()2sin()abcpeee eeepe ek lZZjv Sv SZjk lZjv Spk lv SZjpk l第7章 壓電聲傳感

16、器圖7.12 喇叭形前蓋板的等效機電圖 222122sinjlkSSv222122sinjlkSSv22122cotjlkSv1j1222122SSlkSv22222cotjlkSv21222221jSSlkSvF1F2Za1Zb1Z1pZ1pZa2Zb2第7章 壓電聲傳感器2212221222212 22 212 22212222222222 22 212 2221222 21cotsin1cotsinsinabcvS Sv SSZjjv Sk lk lSjk lvS Sv SSZjjv Sk lk lSjk lvS SZjk l ZS2、ZS1為前后蓋板的聲輻射阻抗。 由此機電等效圖可以求

17、得換能器有關機電轉換的性能目的,下面來求作為發射換能器最重要的一個性能指標共振頻率。第7章 壓電聲傳感器圖7.13 復合棒壓電振子的機電等效圖 1 : nC0IUZs2Za1Zb1Z1pZ1pZa2Zb2Z2pZc2Zs1Zc1第7章 壓電聲傳感器 7.3.2 共振頻率方程 當振子在基頻振動時,兩端振幅最大,中間存在一個振速為零的截面,稱為節面,如圖7.14所示。節面的位置隨前后蓋板及晶片堆的密度、聲速和尺寸而改動。在設計振子時,必需確定其節面位置,以便固定振子和整體思索換能器構造。因此,在設計振子時,就可由節面將它分成兩部分,從而使設計簡化。圖7.14中,假定截面A為振子的振動節面,由節面A

18、將其分為左右兩半,經過分析計算,每一部分的機電等效圖均如圖7.15所示。第7章 壓電聲傳感器圖7.14 截面A將振子分為左右兩半Al1le1le2l2第7章 壓電聲傳感器圖7.15 右或左半部分的機電等效圖 1 : npC0UZ1pZ1pZ2pZm第7章 壓電聲傳感器 左右部分的Zm不同,對右半部分111202222 210122 202cot1sincot(1)(1)(tan)1(1)tan(1)tantan(1)mvSj vSZjj vSklZkFlklkljk FlvSvS kl FklklF Zjv S S klk l F Fkljk l F FklZvS kFklkl F (7.1)

19、 式中 121rFrr r2和r1為喇叭口和喇叭脛的半徑。Z0為喇叭蓋板的輻射聲阻抗，如喇叭蓋板置于空氣中,Z0=0,那么第7章 壓電聲傳感器 對左半部分,可令上式F,S1=S2=S得到 222 211(1)tantan(1)mjv S klk l F FklZklFklkl F00tantantanmmZjSklZvSSjZklZjSkl假設置于空氣中,那么 (7.3) (7.2) 7.4第7章 壓電聲傳感器 機械共振頻率為動態回路中總電抗等于零時的頻率。設Zm=Rm+jXm,那么共振時的總電抗 211212tan2sincot0e eeeeeme eeee emk lSXjSjXjk lj

20、Sk ljX 12taneee emSk lX 即 由7.1式求出Xm代入上式即得節面右半部分的頻率方程。12taneee emSk lX 第7章 壓電聲傳感器 這里的Xm由7.3式給出。 在空氣中Xm分別由(7.2)式和(7.4)式給出,即右半部分的頻率方程為 2 22 22 222222 22 22 2(1)tantan1(1)() taneee eFk lF k lk lk lF Fk lk lk l 7.5 左半部分的頻率方程為 11 11 1tancoteee ek lk l 7.6 第7章 壓電聲傳感器7.4 壓電陶瓷雙疊片彎曲振動換能器壓電陶瓷雙疊片彎曲振動換能器 7.4.1 彎

21、曲振動壓電陶瓷換能器的原理 假設把兩片極性一樣的壓電陶瓷薄片膠合在一同,電路上并聯,如圖7.16(a)所示,或把兩片極性相反的壓電陶瓷薄片膠合在一同,電路上串聯,如圖7.16(b)所示,在電場鼓勵下,當某一時辰其中一片伸張時,另一片那么收縮,使陶瓷片產生彎曲振動,這就是彎曲振動壓電陶瓷換能器的任務原理。 第7章 壓電聲傳感器 為了改善換能器的機械性能和機電耦合,以及構造安裝的方便,常在兩陶瓷片之間膠合一金屬薄片,為便于支撐和進展電銜接,金屬片經常延伸到壓電陶瓷片以外,如圖7.16(c)所示。用金屬薄片和一壓電陶瓷薄片膠合在一同也同樣可構成彎曲換能器,稱為金屬壓電陶瓷雙疊片彎曲換能器。這種換能器

22、構造簡單,便于安裝和密封,特別是邊緣固定金屬壓電陶瓷雙疊片圓板彎曲振動換能器如圖7.17所示,由于其電阻抗低,機械阻抗也低,易于和電路、介質匹配,施加阻尼較易擴展帶寬,性能穩定可靠,從而得到了廣泛運用。第7章 壓電聲傳感器圖7.16 彎曲振動壓電陶瓷換能器的任務原理圖UUU(a)(b)(c)第7章 壓電聲傳感器圖7.17 邊緣固定金屬壓電陶瓷雙疊片圓板彎 曲振動換能器構造圖 abh第7章 壓電聲傳感器 由兩片陶瓷薄圓片組成的彎曲換能器由能量法推導得到的共振頻率方程為01001011()()()()()()0JkaI kaI kaI kaJ kaJkakaka 式中,J0(ka)、J1(ka)分別