用于超声波燃气表中的换能器研制.pdf
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1、24声学与电子工程总第150期2023年第2期用于超声波燃气表中的换能器研制涂馨予金杭超易向阳(杭州瑞利超声科技有限公司,杭州,3 10 0 2 3)摘要为满足高精度超声波燃气表的性能需要,文章提出一种适用于燃气表中的超声换能器。通过对换能器结构设计,得到较为纯净的厚度振动模态,并在此基础上进行了超声换能器的制作与测试。测试结果表明:换能器在50 0 kHz附近具有较为纯粹的厚度振动形式,在常温常压下其收发灵敏度及信号拖尾情况达到松下换能器水准。关键词超声波燃气表;超声换能器;灵敏度DOI:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.06超声波因适用于不同介质中传播,且在
2、传播过程中具有方向性强、能量大且易于集中的特点,在超声焊接、超声探伤及超声测距等领域均得到重要应用。燃气表是天然气用量的计量工具,超声波燃气表是新型燃气表的代表,具有计量精度高及量程比大等优势2-3 。超声换能器作为超声设备的核心器件,对超声设备的收发性能、温度稳定性及使用寿命具有重要影响。因此,提升超声换能器的灵敏度及改善换能器瞬态特性成为目前的研究关键。本文提出了一种带有声匹配层的超声换能器,可以有效提升换能器的电声转换效率。1换能器结构本文设计的换能器结构如图1所示,主要由压电陶瓷、支撑壳体、减振装置及声匹配层组成。圆片型压电陶瓷元件结构简单且易于加工,利用其厚度振动产生纵向声波发射,是
3、超声换能器驱动元件的常用结构,但圆片型压电陶瓷元件的厚度振动与径向振动的谐振频率因相隔较近,存在振动耦合干扰的问题。为解决耦合振动干扰,有源功能材料采用方形的陶瓷元件,将压电陶瓷进行厚度方向切缝处理,降低压电陶瓷的横向振动频率,使得横向振动模态远离纵向振动模态,从而得到较为纯净的厚度振动。1、四配一2、压电陶瓷4、减装装Y3、外壳5、电极引线图1超声换能器结构空气的声阻抗率为0.0 0 0 4Mrayl,而压电陶瓷的声阻抗率为3 5Mrayl,若声波从压电陶瓷中直接入射到空气中,在压电陶瓷的辐射表面几乎全部反射,引起换能器电声转化效率低的问题。本文通过引入闭孔结构的声匹配层结构可以提高声波的透
4、射率。声匹配层的声阻抗z,满足:22=V2/23(1)式中,z1为压电陶瓷的声阻抗,z3为空气的声阻抗,且声匹配层的厚度满足入/4时(入为声匹配层中声波波长),可实现声波的全透射。此外,声匹配层须满足具有一定的结构强度、可加工性较好和不易变形等特点。目前尚不能找到符合要求的固体材料,因此,我们只能降低声匹配层材料的声阻抗4-5。换能器支撑壳体采用不锈钢材料,其结构强度较大,且耐腐蚀性较强,化学性质较为稳定。不锈钢材料用作支撑壳体材料,可以保障换能器的性能稳定。同时,为了减轻流道内气流引起噪声干扰声信号和密封换能器,我们采用性能稳定的硅橡胶材料制作换能器的外壳。2换能器声透射率若声波经过声匹配层
5、后透射到空气中,则超声波能量透过率为42/23T=(2)(z,+z,)cos2 k,D+(z,+sin?k,DZ式中,z,为换能器的声阻抗,z为声匹配层的声阻抗,z,为空气的声阻抗,D为声匹配层厚度,k,为声匹配层波数4。声匹配层z,的声阻抗为1.2 Mrayl,而换能器与空气的声阻抗乘积z,z,为0.0 14Mrayl。25涂馨予等:用于超声波燃气表中的换能器研制因此,存在z,z,z,当声匹配层厚度D为2/4的奇数倍时,式(2)可以简化为42/23T=(3)222从式(3)中可以看出,超声波能量透过率T和声匹配层声阻抗z成反比,由此可知,匹配层声阻抗越低,声波透射率越高。目前,学者采用硬质泡
6、沫或低密度塑料研制声匹配层,低密度塑料存在声阻抗相对偏高的问题,而泡沫材料通常为开孔结构,长期使用下其可靠性与稳定性较差。因此,本文研制了一款环氧树脂-空心微珠聚合物材料(在聚合物中加入低密度空心微珠材料),经过相关测试,得到材料的性能参数,见表16 。对声匹配层材料进行了电镜分析,如图2 所示。从电镜照片中可以看出,空心玻璃微珠分散均匀,碎裂度较低。表1空心玻璃微珠复合材料参数声阻抗/Mrayl衰减系数/(dBmm)0.001 240.5图2 声匹配层电镜照片3换能器仿真分析3.1压电陶瓷振动模态分析图3 是仿真得到的压电陶瓷阻抗特性曲线。从图中可以看出,在10 0 9 0 0 kHz范围内
7、,压电陶瓷共有两个谐振峰,分别位于2 0 0 kHz和550 kHz处。在2 0 0 kHz处,压电陶瓷的振动模态见图4(a),陶瓷位移最大位置位于陶瓷长边的末端,可以判断此频率下陶瓷振动模态为沿着长边的横向伸缩振动。在550 kHz处,压电陶瓷的振动模态为厚度振动,振动位移见图4(b)。从仿真结果可以看出,通过将压电陶瓷进行切缝处理,可以将横向振动模态与厚度振动模态分隔开来,从而得到较为纯净的厚度振动模态。765Su/告432频率/kHz图3 压电陶瓷阻抗特性仿真曲线(a)200 kHz(b)550kHz图4压电陶瓷振动模态3.2超声换能器阻抗特性图5为超声换能器的有限元模型,换能器的主要部
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