稀土超声换能器特性研究

1、2005年第 4 期 声学与电子工程 总第 80 期稀土超声换能器特性研究刘文静,周利生,夏铁坚,俞宏沛(第七一五研究所 ,杭州310002摘要:换能器是功率超声最基本最重要的器件,寻找、开发新材料是发展新型换能器的重要途径。稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D具有优良性能,本文采用四端网络法和有限元ANSYS软件对稀土超声换能器进行了理论设计与分析,并制作了一种单独稀土超声换能器振子和带变幅杆的稀土超声换能器,其性能与压电换能器相比显示出了独特的优越性。关键词:稀土;超声换能器;四端网络法;有限元方法1引言换能器是功率超声最基本最重要的器件。目前的压电超声换能器由于压电陶瓷功率密度小,致使

2、其在大功率情况下工作时由于发热存在容易引起退极化和易碎,从而限制了其应用范围。新的应用对换能器提出了新要求,而换能器的革新将为功率超声应用开辟新天地。寻找、开发新材料和新器件是发展新型换能器的重要途径。稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D是具有优良性能的新型功能材料,已经应用于制造低频大功率的声学换能器并显示出优异性能,将该材料应用范围向高频方向拓展有着深刻的意义。2换能器设计方法换能器的常用结构设计研究方法大致包括以下几种:等效电路方法、平面波法(本文特指四端网络法、有限差分法、瑞利-里兹方法、边界元方法、有限元方法、有限元与边界元综合分析方法等。本文采用四端网络法和有限元方法对换能器的结

3、构进行设计。磁路设计软件主要有ANSYS、ANSOFT等。本文采用有限元ANSOFT 软件对该磁致伸缩换能器的磁路进行优化设计。由于四端网络法在解决压电问题时已经相对成熟,而解决稀土换能器却较少有人做过这方面工作,作者由压磁方程组出发结合振动方程推导了稀土棒的T型网络图,然后与压电换能器一样推导得到整个换能器振子的等效网络图,而后将这些四端网络和六端网络连接起来通过矩阵相乘的形式最终得到四端网络。根据这个思想采用MATLAB语言编程便可计算换能器的电声性能参数1。四端网络法物理概念清晰,推导它有助于我们掌握换能器设计的根本的物理概念。而且求解时比ANSYS软件相对简单,可以快速地获得我们想要的

4、结果。ANSYS有限元软件计算稀土换能器的方法与思想在文献2中已详细阐述。ANSYS软件本身只具有解决压电问题的功能而不具备解决压磁问题的功能,故需将压磁问题等效为压电问题后才可能使用。实践证明,ANSYS软件是个功能非常强大的应用软件,它基本上可以解决一般解析法所能解决的一切问题,而且形象生动,可以更好地模拟实际换能器的工作状况。ANSOFT软件是计算电磁场的专用软件,其使用方法类似于ANSYS软件,拥有强大的材料库,可以很方便地计算我们所需的电磁场参数。经过不断修改模型以及改变材料,最终达到对磁路优化设计目的。3稀土超声换能器设计稀土超声换能器设计工作包括两部分:(1运用四端网络法和有限元

5、ANSYS软件对换能器结构进行仿真计算,并与实测值作了比较,理论计算结果和实测值相当吻合。(2运用ANSOFT 软件对换能器磁路进行了优化设计。这两部分虽然在设计阶段互不影响,但在换能器的实际制作过程中却紧密关联。对于稀土超声换能器的设计有两点需要特别考虑:(1工作点的选取(包括磁场强度和预应力;(2频率设计。由于趋肤效应的存在,换能器存在上限工作频率21e Seftµµ=,其中et为趋肤深度,Sµ为稀土棒的相对截止磁导率,µ为真空磁导率,为稀土棒的电导率。这里的e t应为稀土棒的切片厚度,受稀土棒制作水平所限,目前国内的切片厚度为2mm,美国则达到了1

6、mm。在上述值确定的情况下,换能器的工作频率为15kHz比较理想。本文设计了几种15kHz的稀土超声换能器,换能器实物图片如图1所示。图1(a为单个换能器振子,图1(b为换能器前盖板加A型变幅杆,图1(c为稀土换能器前盖板加B型变幅杆。A型变幅杆为指数形连接圆柱形变幅杆,用于换能器的振幅放大。B型变幅杆为辐射面较大的锥台形变幅杆,用于测试换能器施加电功率的能力。图1(d为一种15kHz的压电换能器。 (a (b (c (d图1 几种换能器实物图4性能测试与比较超声换能器的性能测试是个值得探讨的领域,作者初步尝试了激光测振法与水听器测声压法。为了发现稀土换能器的潜力,将其与压电换能器作了比较。我

7、们设计的15kHz稀土换能器体积不到15kHz压电换能器的2/3,而质量则不到其1/2。4.1激光测振法测量时,将换能器置于激光测振仪的前端,同时将信号源、功率放大器、换能器和激光测振仪放置在隔振平台上构成测试回路,如图2所示。而激光测振仪则用来测试超声换能器辐射面的振速和位移并将测试结果在显示器上显示出来。 图2 激光测振系统原理图采用激光测振系统对单独振子不带变幅杆的换能器,振子接二分之一波长指数形变幅杆的换能器进行了测试,并与压电换能器的测试结果进行了比较,测试结果如图3,4,5,6所示。 图3 稀土换能器单独振子端部位移随电压变化曲线 图4 压电换能器单独振子端部位移随电压变化曲线 图

8、5 稀土换能器带变幅杆的变幅杆端与后盖板端位移随电压变化曲线图6 ANSYS计算的带变幅杆换能器沿轴向的位移分布4.2水听器测声压法对换能器来说在无负载或负载比较小的情况下,很难对其施加较大电功率,为了测试其施加电功率能力,故在换能器端部连接了频率同样为15kHz的B型变幅杆,我们用接了测试用变幅杆的压电和稀土换能器(如图7所示做了测试,测试系统如图8所示,该测试系统将换能器在变幅杆的节点处固定,并将其辐射面置于水面下100mm处,在换能器下方1.8m处放置一个标准水听器以满足测试声场条件。 图7 压电、稀土换能器接测试功率用变幅杆 图8 测试施加电功率示意图采用该测试系统对100V情况下两种

9、换能器的发送电压响应曲线的测试结果如图9所示。可以发现在15kHz谐振频率处压电换能器的发送电压响应要比稀土换能器的低3 dB,在谐振点处稀土换能器的发送电压响应值为152dB。 图9 换能器发送电压响应曲线(间隔线为稀土换能器,细实线为压电换能器两种换能器施加电功率能力的测试结果见表1所示。同时还测试了两者的功率线性曲线。可以发现在线性范围内,压电换能器的最大声源级达到201 dB,而稀土换能器则为202.8 dB。在以上条件下,测得压电换能器在谐振频率处效率达到66%,而稀土换能器则为34%,这一点正好与测试中出现的稀土换能器在谐振频率处频率带宽较宽从而效率较低相吻合。表1 压电换能器稀土

10、换能器性能比较压电换能器稀土换能器功率因数cos 0.866 0.276 最大可施加电压(V 400 350 对应的电流(A 0.344 4.193 最大可施加电功率(W 119 404为了验证换能器的性能测试结果,我们采用四端网络法和有限元ANSYS软件对换能器的发送电压响应做了理论验证,发现四端网络法和有限元 ANSYS软件的曲线的趋势基本相似,同时发现ANSYS软件计算结果比较准确,但电压响应值略高,四端网络法计算的谐振频率略低而电压响应值比较吻合(如图10、11所示。存在差异的原因可能与参数选取的不够准确有关,另外ANSYS计算的时候没有考虑阻尼损耗也是原因之一。 图10 四端网络法计

11、算结果(粗线为稀土换能器 图11 有限元方法计算结果(粗线为稀土换能器5结论本文采用四端网络法和有限元法对换能器进行了结构设计,并采用有限元软件对换能器进行了磁路优化设计。为了与压电换能器做性能比较,本文采用激光测振法和水听器测声压法对两种换能器进行了测试比较,同时采用四端网络法和有限元ANSYS软件对水听器的测量声压进行了理论验证。经过测试发现:15kHz的稀土超声换能器与压电超声换能器相比,虽然最大振动位移略低,但由于其体积小重量轻、和辐射声功率不易老化退极化,以及激励电压低、施加电功率能力辐射声功率强等优点。参考文献:1 刘文静,俞宏沛,周利生,夏铁坚. 四端网络法在稀土纵向换能器设计中的应用.声学与电子工程, 2004(3: 12-16.2 莫喜平.新型弯张换能器的研究与设计学位论文 .哈尔滨: 哈尔滨工程大学水声工程学院, 1998.4结束语对于圆柱换能器,当其径高比不同时,声波在径向和轴向形成的声程差小的那一个,将决定声能的主要集中方向。因此,如果忽视短圆柱换能器的实际声场分布,仅利用其径向辐射面测量的声压数据来计算换能器的其它参数,将会得出换能器效率不高等问题,甚至认为换能器不能使用,这是不准确的。从测量结果与计算结果对比