四分之一波长夹心式压电超声换能器的设计研究

　　1 引言

　　夹心式压电超声换能器是在压电陶瓷片的两端夹金属块组成,在这种换能器中,压电陶瓷片的极化方向与振子的厚度方向一致,并通过螺栓与前后金属盖板连接在一起。换能器与用来放大振幅的变幅杆组成一个振子,振子的厚度等于基波的半波长。它利用了压电陶瓷振子的纵向效应,而且能够得到较低的共振频率[1]。另外,由于使用预紧螺栓和前后盖板给压电陶瓷片施加预应力,因此压电陶瓷在振动时始终处于压缩状态,有效解决了压电陶瓷抗张强度大,容易碎裂的问题。

　　在超声振动系统中,通常将换能器与变幅杆做成一个整体,这种换能器可单独作为一个振子,其长度为纵波的半波长。针对这种换能器,国内外许多学者进行了深入的研究[2-5]。该换能器的变幅杆与换能器被整合在一起,导致振子的变幅比无法改变。输出不同振幅时,只能更换整个振子。本文设计出与变幅杆分开的换能器,在输出不同振幅时,只需更换变幅杆。该超声换能器没有变幅功能,长度为超声振子的一半,即纵波的四分之一波长。

　　2 超声换能器的振动特性分析与设计

　　2.1 超声换能器的各主要部件

　　在对四分之一波长超声换能器进行振动特性分析时,可以将换能器分为两个部分进行研究,即前后盖板和压电陶瓷片组。

　　由于换能器的前后盖板均为等截面圆柱形金属块,因此可以将其视作等截面杆。关于等截面杆和压电陶瓷片,已有许多学者进行过研究[6,7],并给出了等效电路与振动特性方程。

　　2.2 超声换能器的等效电路图

　　将前后盖板与陶瓷片组的电路串联起来,便得到夹心式压电超声换能器的等效电路图(见图1)。

　　其中,Zb,Zf分别为前后盖板的负载阻抗。根据不同的实际情况,负载阻抗的大小也需要具体分析,因此此处只考虑空载时的情况,即Zb=Zf=0。

　　2.3 超声换能器的振动特性分析

　　在超声振动系统中,半波长振子两端的振动位移最大,而在振子中间存在某处位移为零的截面,称为节面。在对超声振子进行夹持固定时,必须将夹持面选在节面上,以保证振动系统的稳定性[8]。在设计时,可以将节面作为分割面,把整个振子看作是两个四分之一波长的振子,而对这两部分分别进行分析、设计。

　　此处将节面选在换能器前盖板的后端面上,这样节面将整个振子分为换能器和变幅杆两个部分。不考虑变幅杆的影响,只分析换能器的特性。理想化的夹心式压电超声换能器的基本结构及等效电路如图2、图3所示。

　　图中右端节面处位移振速为零,因此可以看作开路,而后盖板可以看做是压电陶瓷的负载阻抗Z1。图中各阻抗值分别为