稀土超声换能器特性研究

　　1 引言

　　换能器是功率超声最基本最重要的器件。目前的压电超声换能器由于压电陶瓷功率密度小，致使其在大功率情况下工作时由于发热存在容易引起退极化和易碎，从而限制了其应用范围。新的应用对换能器提出了新要求，而换能器的革新将为功率超声应用开辟新天地。寻找、开发新材料和新器件是发展新型换能器的重要途径。稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D是具有优良性能的新型功能材料，已经应用于制造低频大功率的声学换能器并显示出优异性能，将该材料应用范围向高频方向拓展有着深刻的意义。

　　2 换能器设计方法

　　换能器的常用结构设计研究方法大致包括以下几种：等效电路方法、平面波法(本文特指四端网络法)、有限差分法、瑞利-里兹方法、边界元方法、有限元方法、有限元与边界元综合分析方法等。本文采用四端网络法和有限元方法对换能器的结构进行设计。磁路设计软件主要有ANSYS、ANSOFT等。本文采用有限元ANSOFT软件对该磁致伸缩换能器的磁路进行优化设计。

　　由于四端网络法在解决压电问题时已经相对成熟，而解决稀土换能器却较少有人做过这方面工作，作者由压磁方程组出发结合振动方程推导了稀土棒的T型网络图，然后与压电换能器一样推导得到整个换能器振子的等效网络图，而后将这些四端网络和六端网络连接起来通过矩阵相乘的形式最终得到四端网络。根据这个思想采用MATLAB语言编程便可计算换能器的电声性能参数[1]。四端网络法物理概念清晰，推导它有助于我们掌握换能器设计的根本的物理概念。而且求解时比ANSYS软件相对简单，可以快速地获得我们想要的结果。

　　ANSYS有限元软件计算稀土换能器的方法与思想在文献[2]中已详细阐述。ANSYS软件本身只具有解决压电问题的功能而不具备解决压磁问题的功能，故需将压磁问题等效为压电问题后才可能使用。实践证明，ANSYS软件是个功能非常强大的应用软件，它基本上可以解决一般解析法所能解决的一切问题，而且形象生动，可以更好地模拟实际换能器的工作状况。

　　ANSOFT软件是计算电磁场的专用软件，其使用方法类似于ANSYS 软件，拥有强大的材料库，可以很方便地计算我们所需的电磁场参数。经过不断修改模型以及改变材料，最终达到对磁路优化设计目的。

　　3 稀土超声换能器设计

　　稀土超声换能器设计工作包括两部分:

　　(1)运用四端网络法和有限元ANSYS软件对换能器结构进行仿真计算，并与实测值作了比较，理论计算结果和实测值相当吻合。

　　(2)运用ANSOFT软件对换能器磁路进行了优化设计。这两部分虽然在设计阶段互不影响，但在换能器的实际制作过程中却紧密关联。