常用压电陶瓷发射换能器.pptx
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1、第二章 常用压电陶瓷发射换能器换能器技术课程换能器技术课程第一节 发射换能器的性能指标第二节 等效电路法第三节 压电圆管的径向振动第四节 压电圆片的厚度振动第五节 其它常用发射换能器第一节 发射换能器的性能指标1工作频率依据声呐方程确定;发射换能器通常工作在谐振基频上,可以获得 大功率和高效率。2频带宽度和机械品质因数带宽带宽在换能器的发射响应曲线上,低于最大响应3dB的两个频率差定义为换能器的-3dB频带宽度,简称带宽。机械品质因数机械品质因数对于谐振式换能器,带宽由QM 决定,QM 与换能器的材料、结构尺寸、机械损耗和辐射阻抗有关。3 3指向性指向性 当一个发射器或接收器的尺寸能和它所在的
2、介质中声波的波长相比拟时,声场中的声压随着方位的不同具有一定的分布。指向性是远场特性指向性是远场特性4 4阻抗特性阻抗特性阻抗阻抗阻介质损耗、机械损耗和辐射阻抗感抗、容抗、质量抗、弹性抗导纳导纳5发射响应发射响应(发射灵敏度发射灵敏度)换能器或基阵在指定方向上,距其等效声换能器或基阵在指定方向上,距其等效声中心中心1 1米远处所产生的米远处所产生的球面波自由场声压球面波自由场声压与其与其输入端电学量输入端电学量之比。之比。发射电压响应发射电压响应发射电流响应发射电流响应p(1)=p(d)d d属于远场属于远场电压或电流用分贝的形式表示用分贝的形式表示发射电压响应级发射电压响应级发射电流响应级发
3、射电流响应级电压响应基准值电压响应基准值电流响应基准值电流响应基准值6声源级声源级在声场中指定方向上,距发射器等效声中在声场中指定方向上,距发射器等效声中心心1 1米远处所产生的球面波自由场声压对应平米远处所产生的球面波自由场声压对应平面行波的声强级。面行波的声强级。声源级与发射电压响应级对比声源级与发射电压响应级对比7辐射声功率辐射声功率描述发射器在单位时间内向水介质中辐射描述发射器在单位时间内向水介质中辐射能量多少的物理量。能量多少的物理量。直接影响声呐的作用距离;直接影响声呐的作用距离;随工作频率变化,谐振时最大;随工作频率变化,谐振时最大;受到额定电压受到额定电压(电流电流)、机械强度
4、和空化条件的、机械强度和空化条件的限制。限制。8发射效率发射效率Pm机械功率机械功率 Pe电功率电功率 Pa声功率声功率机电效率机电效率机声效率机声效率电声效率电声效率9机电耦合系数机电耦合系数(1)定义:定义:机电耦合系数是在理想状态下定义的,在理想状态下未机电耦合系数是在理想状态下定义的,在理想状态下未转换的能量不是损耗掉,而是以弹性方式或介电方式储转换的能量不是损耗掉,而是以弹性方式或介电方式储存起来。存起来。(2)有效机电耦合系数有效机电耦合系数无损耗无损耗、无负载无负载的压电振子在的压电振子在机械谐机械谐振振时储存的机械能与储存的全部能量之比时储存的机械能与储存的全部能量之比的平方根
5、。的平方根。第一节第一节 结束结束第二节第二节 等效电路法等效电路法1.电路电路2.机械振动系统机械振动系统机械振动系统示意图机械振动系统示意图力学量力学量电学量电学量力F电压V振速电流I位移u电量q质量M电感L机械阻Rm电阻R柔顺系数Cm电容C3.机电类比机电类比 将换能器看为做机械振动的弹性体,依据波动理论可以得到它的机械振动方程;根据电路的规律可以得到电路状态方程;根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图,换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图求得。4.等效电路法等效电路法第二节第二节 结束结束第三节 压电圆管的径向振动振动模式径向极化厚度极化切向极化极化方式内半径r1,外半
6、径r2,平均半径 a=(r1+r2)/2高度为h,厚度为 t=r2-r1要求:薄壁、短圆管。目的是为了减少耦合,使位移一致。at ah径向极化压电陶瓷圆管一、压电方程的确定1应力应变的统一形式 根据圆管结构确定采用柱坐标分析,由于是径向极化,因此半径r方向为3方向。应力应变的统一形式变为满足右手定则2化简力学量和电学量(1)力学量应力应力假定在径向振动基频附近无耦合振动,沿r(3)、z(2)方向无应力、外力,可近似认为位移位移圆管对称于z轴,所以无扭曲圆管上各点位移一致应变应变其中(2)电学量电极面是等位面3选择压电方程(1)原则适用条件适用条件自变量自变量0 0个数最多个数最多(2)根据化简
7、的结果,T、E为0的分量最多,作为自变量,所以选择型压电方程化简为矩阵形式二、等效电路图等效电路法 将换能器看为做机械振动的弹性体,依据波动理论可以得到它的机械振动方程;根据电路的规律可以得到电路状态方程;根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图,换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图求得。1机械端等效图微元厚度为微元厚度为t t,高度为,高度为dzdz,平均弧长,平均弧长圆管的外表面有负载,单位面积作用力为P,微元密度为体积为 ,沿r方向的加速度为 ,依据牛顿第二定律,圆管的径向振动方程为压力(负)张力(正)在圆管上取微元在圆管上取微元则应力则应力T T1 1沿沿r r方向的分量
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