稀土超聲換能器特性研究

1、2005年第 4 期 聲學與電子工程 總第 80 期稀土超聲換能器特性研究劉文靜,周利生,夏鐵堅,俞宏沛(第七一五研究所 ,杭州310002摘要:換能器是功率超聲最基本最重要的器件,尋找、開發(fā)新材料是發(fā)展新型換能器的重要途徑。稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D具有優(yōu)良性能,本文采用四端網絡法和有限元ANSYS軟件對稀土超聲換能器進行了理論設計與分析,并制作了一種單獨稀土超聲換能器振子和帶變幅桿的稀土超聲換能器,其性能與壓電換能器相比顯示出了獨特的優(yōu)越性。關鍵詞:稀土;超聲換能器;四端網絡法;有限元方法1引言換能器是功率超聲最基本最重要的器件。目前的壓電超聲換能器由于壓電陶瓷功率密度小,致使

2、其在大功率情況下工作時由于發(fā)熱存在容易引起退極化和易碎,從而限制了其應用范圍。新的應用對換能器提出了新要求,而換能器的革新將為功率超聲應用開辟新天地。尋找、開發(fā)新材料和新器件是發(fā)展新型換能器的重要途徑。稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D是具有優(yōu)良性能的新型功能材料,已經應用于制造低頻大功率的聲學換能器并顯示出優(yōu)異性能,將該材料應用范圍向高頻方向拓展有著深刻的意義。2換能器設計方法換能器的常用結構設計研究方法大致包括以下幾種:等效電路方法、平面波法(本文特指四端網絡法、有限差分法、瑞利-里茲方法、邊界元方法、有限元方法、有限元與邊界元綜合分析方法等。本文采用四端網絡法和有限元方法對換能器的結

3、構進行設計。磁路設計軟件主要有ANSYS、ANSOFT等。本文采用有限元ANSOFT 軟件對該磁致伸縮換能器的磁路進行優(yōu)化設計。由于四端網絡法在解決壓電問題時已經相對成熟,而解決稀土換能器卻較少有人做過這方面工作,作者由壓磁方程組出發(fā)結合振動方程推導了稀土棒的T型網絡圖,然后與壓電換能器一樣推導得到整個換能器振子的等效網絡圖,而后將這些四端網絡和六端網絡連接起來通過矩陣相乘的形式最終得到四端網絡。根據這個思想采用MATLAB語言編程便可計算換能器的電聲性能參數1。四端網絡法物理概念清晰,推導它有助于我們掌握換能器設計的根本的物理概念。而且求解時比ANSYS軟件相對簡單,可以快速地獲得我們想要的

4、結果。ANSYS有限元軟件計算稀土換能器的方法與思想在文獻2中已詳細闡述。ANSYS軟件本身只具有解決壓電問題的功能而不具備解決壓磁問題的功能,故需將壓磁問題等效為壓電問題后才可能使用。實踐證明,ANSYS軟件是個功能非常強大的應用軟件,它基本上可以解決一般解析法所能解決的一切問題,而且形象生動,可以更好地模擬實際換能器的工作狀況。ANSOFT軟件是計算電磁場的專用軟件,其使用方法類似于ANSYS軟件,擁有強大的材料庫,可以很方便地計算我們所需的電磁場參數。經過不斷修改模型以及改變材料,最終達到對磁路優(yōu)化設計目的。3稀土超聲換能器設計稀土超聲換能器設計工作包括兩部分:(1運用四端網絡法和有限元

5、ANSYS軟件對換能器結構進行仿真計算,并與實測值作了比較,理論計算結果和實測值相當吻合。(2運用ANSOFT 軟件對換能器磁路進行了優(yōu)化設計。這兩部分雖然在設計階段互不影響,但在換能器的實際制作過程中卻緊密關聯。對于稀土超聲換能器的設計有兩點需要特別考慮:(1工作點的選取(包括磁場強度和預應力;(2頻率設計。由于趨膚效應的存在,換能器存在上限工作頻率21e Seftµµ=,其中et為趨膚深度,Sµ為稀土棒的相對截止磁導率,µ為真空磁導率,為稀土棒的電導率。這里的e t應為稀土棒的切片厚度,受稀土棒制作水平所限,目前國內的切片厚度為2mm,美國則達到了1

6、mm。在上述值確定的情況下,換能器的工作頻率為15kHz比較理想。本文設計了幾種15kHz的稀土超聲換能器,換能器實物圖片如圖1所示。圖1(a為單個換能器振子,圖1(b為換能器前蓋板加A型變幅桿,圖1(c為稀土換能器前蓋板加B型變幅桿。A型變幅桿為指數形連接圓柱形變幅桿,用于換能器的振幅放大。B型變幅桿為輻射面較大的錐臺形變幅桿,用于測試換能器施加電功率的能力。圖1(d為一種15kHz的壓電換能器。 (a (b (c (d圖1 幾種換能器實物圖4性能測試與比較超聲換能器的性能測試是個值得探討的領域,作者初步嘗試了激光測振法與水聽器測聲壓法。為了發(fā)現稀土換能器的潛力,將其與壓電換能器作了比較。我

7、們設計的15kHz稀土換能器體積不到15kHz壓電換能器的2/3,而質量則不到其1/2。4.1激光測振法測量時,將換能器置于激光測振儀的前端,同時將信號源、功率放大器、換能器和激光測振儀放置在隔振平臺上構成測試回路,如圖2所示。而激光測振儀則用來測試超聲換能器輻射面的振速和位移并將測試結果在顯示器上顯示出來。 圖2 激光測振系統(tǒng)原理圖采用激光測振系統(tǒng)對單獨振子不帶變幅桿的換能器,振子接二分之一波長指數形變幅桿的換能器進行了測試,并與壓電換能器的測試結果進行了比較,測試結果如圖3,4,5,6所示。 圖3 稀土換能器單獨振子端部位移隨電壓變化曲線 圖4 壓電換能器單獨振子端部位移隨電壓變化曲線 圖

8、5 稀土換能器帶變幅桿的變幅桿端與后蓋板端位移隨電壓變化曲線比較圖3、圖4可以發(fā)現稀土換能器的最大位移為5.2µm而壓電換能器最大位移則為7.6µm。稀土換能器接變幅桿的變幅桿端部的最大位移達到12µm且超過激光測振儀的量程,同時發(fā)現變幅桿端部的位移大致是后蓋板處螺桿端部的67倍。這個放大倍數與ANSYS計算結果一致,如圖6所示。這樣我們通過測量換能器后蓋板端部位移便可預測變幅桿前端的最大位移為18µm。圖6 ANSYS計算的帶變幅桿換能器沿軸向的位移分布4.2水聽器測聲壓法對換能器來說在無負載或負載比較小的情況下,很難對其施加較大電功率,為了測試其施加

9、電功率能力,故在換能器端部連接了頻率同樣為15kHz的B型變幅桿,我們用接了測試用變幅桿的壓電和稀土換能器(如圖7所示做了測試,測試系統(tǒng)如圖8所示,該測試系統(tǒng)將換能器在變幅桿的節(jié)點處固定,并將其輻射面置于水面下100mm處,在換能器下方1.8m處放置一個標準水聽器以滿足測試聲場條件。 圖7 壓電、稀土換能器接測試功率用變幅桿 圖8 測試施加電功率示意圖采用該測試系統(tǒng)對100V情況下兩種換能器的發(fā)送電壓響應曲線的測試結果如圖9所示?？梢园l(fā)現在15kHz諧振頻率處壓電換能器的發(fā)送電壓響應要比稀土換能器的低3 dB,在諧振點處稀土換能器的發(fā)送電壓響應值為152dB。 圖9 換能器發(fā)送電壓響應曲線(間

10、隔線為稀土換能器,細實線為壓電換能器兩種換能器施加電功率能力的測試結果見表1所示。同時還測試了兩者的功率線性曲線?？梢园l(fā)現在線性范圍內,壓電換能器的最大聲源級達到201 dB,而稀土換能器則為202.8 dB。在以上條件下,測得壓電換能器在諧振頻率處效率達到66%,而稀土換能器則為34%,這一點正好與測試中出現的稀土換能器在諧振頻率處頻率帶寬較寬從而效率較低相吻合。表1 壓電換能器稀土換能器性能比較壓電換能器稀土換能器功率因數cos 0.866 0.276 最大可施加電壓(V 400 350 對應的電流(A 0.344 4.193 最大可施加電功率(W 119 404為了驗證換能器的性能測試結

11、果,我們采用四端網絡法和有限元ANSYS軟件對換能器的發(fā)送電壓響應做了理論驗證,發(fā)現四端網絡法和有限元 ANSYS軟件的曲線的趨勢基本相似,同時發(fā)現ANSYS軟件計算結果比較準確,但電壓響應值略高,四端網絡法計算的諧振頻率略低而電壓響應值比較吻合(如圖10、11所示。存在差異的原因可能與參數選取的不夠準確有關,另外ANSYS計算的時候沒有考慮阻尼損耗也是原因之一。 圖10 四端網絡法計算結果(粗線為稀土換能器 圖11 有限元方法計算結果(粗線為稀土換能器5結論本文采用四端網絡法和有限元法對換能器進行了結構設計,并采用有限元軟件對換能器進行了磁路優(yōu)化設計。為了與壓電換能器做性能比較,本文采用激光

12、測振法和水聽器測聲壓法對兩種換能器進行了測試比較,同時采用四端網絡法和有限元ANSYS軟件對水聽器的測量聲壓進行了理論驗證。經過測試發(fā)現:15kHz的稀土超聲換能器與壓電超聲換能器相比,雖然最大振動位移略低,但由于其體積小重量輕、和輻射聲功率不易老化退極化,以及激勵電壓低、施加電功率能力輻射聲功率強等優(yōu)點。參考文獻:1 劉文靜,俞宏沛,周利生,夏鐵堅. 四端網絡法在稀土縱向換能器設計中的應用.聲學與電子工程, 2004(3: 12-16.2 莫喜平.新型彎張換能器的研究與設計學位論文 .哈爾濱: 哈爾濱工程大學水聲工程學院, 1998.4結束語對于圓柱換能器,當其徑高比不同時,聲波在徑向和軸向形成的聲程差小的那一個,將決定聲能的主要集中方向。因此,如果忽視短圓柱換能器的實際聲場分布,僅利用其徑向輻射面測量的聲壓數據來計算換能器的其它參數,將會得出換能器效率不高等問題,甚至認為換能器不能使用,這是不準確的。從測