声换能器辅助设计软件开发

　　1 引言

　　换能器作为一种声能和电能间的能量转换器件，在水声学和超声学领域具有广泛的应用。目前，换能器设计方法有解析计算和数值计算。其中解析计算是换能器设计中最基本和最常用的方法，解析计算中的公式常是一些复杂的方程，需要进行大量繁琐的计算，因此有必要开发换能器设计软件。笔者在换能器设计理论的基础上，利用Matlab GUI开发了换能器设计软件，用户只需要通过选单选择、输入已知参数等，就能得到计算结果，可以方便快速地进行换能器设计。

　　2 换能器设计理论

　　解析计算方法是通过将换能器的物理结构进行适当的简化，根据机电等效原理把换能器的声与振动问题转换为熟悉的电路问题[1]。下面是几种常用水声换能器的解析计算公式:

　　(1) 直探头式换能器

　　换能器中的压电晶片的半径为a，晶片横截面面积为s，厚度为l，ρ，v，σ分别是压电材料的密度、声速、恒电场作用下的泊松系数，k为波束，ZR为前辐射介质的辐射阻。

　　纵向振动时等效电路的阻抗

　　式中，。谐振时阻抗Z的虚部为零，由此可以计算出纵向振动时的共振频率。

　　(2) 溢流环式换能器

　　圆管的径向振动由圆管的平均半径a和压电材料特性决定，其径向共振频率为[2]

　　式中，ρ为压电陶瓷材料的密度; YE为杨氏模量。

　　高度为l的径向极化的压电陶瓷圆管，其纵向共振频率为

　　(3) 复合棒式换能器

　　复合棒换能器是由前盖板、后盖板和压电晶堆组成的，设前盖板的面积为s2，长度为lf，密度为ρ2，声速为c2，波束为k2; 后盖板的面积为s1，长度为lb，密度为ρ1，声速为c1，波束为k1; 压电晶片的面积为se，长度为le，密度为ρe，声速为ce，波束为ke，F为前后盖板间半径的比例关系，ZR为前辐射介质的辐射阻。

　　令机电等效阻抗Zm[3]的虚部的倒数为零可以求出前盖板的长度lf

　　通过解下列方程得到计算后盖板的长度lb

　　3 Matlab GUI设计工具简介

　　在Matlab中，图形用户界面GUI是由各种图形对象构建的，是人机交互的有效工具和方法。Matlab设计图形界面时有两种方法[4]: 一是使用Matlab中的界面开发环境GUIDE实现。GUIDE是GUI图形用户开发环境，集成了一系列的控件并可进行界面外观、属性和相应行为方式的设置。二是直接使用程序编写m文件来创建。将上述两种方法结合可以快速高效地完成软件的开发，即首先在GUIDE中创建图形窗口和需要的控件，会自动生成包含图形界面初始化和控件界面布局控制代码的m文件。然后在m文件中的控件初始化函数和回调函数部分，直接编写设计软件的代码。