超聲波換能器有限元計算方法的運用

　　超聲波換能器的功能是將輸入的電功率轉換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去，而自身消耗很少的一部分功率。
 

　　超聲波換能器，要解決的技術問題是設計一種作用距離大、頻帶寬的換能器。換能器由外殼、匹配層、壓電陶瓷圓盤換能器、背襯、引出電纜和Cymbal陣列接收器組成。壓電陶瓷圓盤換能器采用厚度方向極化的PZT-5壓電材料制成，Cymbal陣列接收器由8～16只Cymbal換能器、兩個金屬圓環(huán)和橡膠墊圈組成。本發(fā)明的作用距離大于35m，頻帶寬度達到10kHz，能檢測高速移動的遠距離目標。
 

　　超聲波換能器有限元計算方法的運用，為了確定換能器的工作狀態(tài) ,必須求出它的機械振動系統(tǒng)的狀態(tài)方程式和電路系統(tǒng)狀態(tài)方程式.換能器機械系統(tǒng)的狀態(tài)方程式 (簡稱為機械振動方程 )是換能器處于工作狀態(tài)時 ,描寫它的機械振動系統(tǒng)的力與振速的關系式 ,而電路系統(tǒng)的狀態(tài)方程式 (簡稱電路狀態(tài)方程式 )是描寫電路系統(tǒng)的振動特性的. 由于換能器的機械系統(tǒng)和電路系統(tǒng)是互相耦合的 ,所以機械系統(tǒng)的振動會影響到電路的平衡 ,而電路的變化也會影響到機械系統(tǒng)的振動 ,因此我們總是利用這些方程組分析、討論換能器的工作特性。
 

　　在超聲波換能器的設計過程中 ,有限元計算方法得到了青睞 ,其中普遍的商用軟件就是ANSYS. 其中與換能器設計有關的問題主要是結構分析、壓電耦合分析、流體 - 結構耦合分析 ,有時還要用到電磁場分析、熱分析等. 用 ANSYS設計分析換能器的突出優(yōu)點是不受換能器結構及尺寸的限制 ,可進行復雜結構換能器的設計. 利用有限元軟件進行換能器的設計能方便地計算出換能器的諧振頻率 ,觀察諧振時換能器各部分的位移分布 ,得到換能器的導納曲線、發(fā)射接收的頻率響應曲線和指向性圖 ,還可進行換能器的結構優(yōu)化。