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式中(7.1)r2和r1为喇叭口和喇叭胫的半径。Z0为喇叭盖板的辐射声阻抗,如喇叭盖板置于空气中,Z0=0,则
对左半部分,可令上式F→∞,S1=S2=S得到
若置于空气中,则
Zm=jrvStankl (7.4)(7.2)(7.3)机械共振频率为动态回路中总电抗等于零时的频率。设Zm=Rm+jXm,则共振时的总电抗
即
由式(7.1)求出Xm代入上式即得节面右半部分的频率方程。
对于左半部分的频率方程为这里的Xm由式(7.3)给出。
在空气中Xm分别由式(7.2)和式(7.4)给出,即右半部分的频率方程为
左半部分的频率方程为
作为例子,利用式(7.5)和式(7.6)计算了前盖板为硬铝、后盖板为钢、压电陶瓷为PZT-4,选取F=3,共振频率为30kHz的振子的尺寸如下:(7.6)(7.5)(1)le1=0,le2=1.00cm,l1=3.81cm,l2=1.73cm;
(2)le1=le2=1.00cm,l1=2.48cm,l2=1.73cm;
(3)le1=1.00cm,le2=0,l1=2.48cm,l2=4.38cm。
对共振频率为5kHz,算得振子尺寸为:le1=le2=3.00cm,l1=18.94cm,l2=16.94cm,振子总长为41.88cm;共振频率为100kHz时,算得振子尺寸为:le1=le2=0.20cm,l1=0.88cm,l2=0.72cm,振子总长为2.00cm。因此,复合棒换能器的频率范围约在几千赫到几百千赫,对于太低或太高的频率由于尺寸过大或过小,加工或使用均不太方便。7.4压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器
7.4.1弯曲振动压电陶瓷换能器的原理
若把两片极性相同的压电陶瓷薄片胶合在一起,电路上并联,如图7.16(a)所示,或把两片极性相反的压电陶瓷薄片胶合在一起,电路上串联,如图7.16(b)所示,在电场激励下,当某一时刻其中一片伸张时,另一片则收缩,使陶瓷片产生弯曲振动,这就是弯曲振动压电陶瓷换能器的工作原理。为了改善换能器的机械性能和机电耦合,以及结构安装的方便,常在两陶瓷片之间胶合一金属薄片,为便于支撑和进行电连接,金属片经常延伸到压电陶瓷片以外,如图7.16(c)所示。图7.16弯曲振动压电陶瓷换能器的工作原理图用金属薄片和一压电陶瓷薄片胶合在一起也同样可构成弯曲换能器,称为金属压电陶瓷双叠片弯曲换能器。这种换能器结构简单,便于安装和密封,特别是边缘固定金属压电陶瓷双叠片圆板弯曲振动换能器(如图7.17所示),由于其电阻抗低,机械阻抗也低,易于和电路、介质匹配,施加阻尼较易扩展带宽,性能稳定可靠,从而得到了广泛应用。图7.17边缘固定金属压电陶瓷双叠片圆板弯曲振动换能器结构图由两片陶瓷薄圆片组成的弯曲换能器由能量法推导得到的共振频率方程为
式中,J0(ka)、J1(ka)分别为零阶、一阶第一类贝塞尔函数,I0(ka)、I1(ka)分别为零阶、一阶第二类变形(或虚宗量)贝塞尔函数,a为薄圆片的半径,k为波数,σ为泊松系数。共振基频近似为
式中,K为常数,h为两片晶片的总厚度。7.4.2弯曲振动压电陶瓷换能器的实例
1.压电陶瓷双叠片弯曲振动空气超声换能器
图7.18为一压电陶瓷双叠片弯曲振动空气超声换能器的结构图。压电陶瓷双叠片作弯曲振动时圆片上有一节圆,节圆内外的振动位移反相,这两部分对远场声压的贡献相互抵消。锥形共振盘可使这种相互抵消减轻,并有增加声辐射阻和聚焦声能的作用。支撑圆环应恰巧支撑于节圆处,以保持晶片近似处于自由振动状态。金属丝网罩既能保护振子又能正常透声。这种换能器的工作频率一般为20~45kHz。图7.18压电陶瓷双叠片弯曲振动空气超声换能器结构图2.密封式压电陶瓷双叠片弯曲振动空气超声换能器
图7.19(a)为密封式压电陶瓷双叠片弯曲振动空气超声换能器结构图,图(b)为其外形图。图7.19密封式压电陶瓷双叠片弯曲振动空气超声换能器3.弯曲振动水声换能器
图7.20为弯曲振动水声换能器结构图。图中:1—压电陶瓷片,2—铝圆盘,3—保护膜,4—简支压环,5—电极引线,6—外壳,7—电缆。图7.20弯曲振动水声换能器结构图第7章压电声传感器7.1厚度振动换能器7.2圆柱形压电换能器7.3复合棒压电换能器7.4压电陶瓷双叠片弯曲振动换能器
7.1厚度振动换能器
厚度振动换能器是利用压电陶瓷的厚度振动模式,工作频率一般从几百kHz至十几MHz广泛应用于超声技术中
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