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1、第7章压电声传感器33-34第第7章章 压电声波传感器压电声波传感器(1) 第7章压电声传感器一一. 概概 述述第7章压电声传感器第7章压电声传感器第7章压电声传感器第7章压电声传感器二二.第7章压电声传感器第7章压电声传感器第7章压电声传感器第7章压电声传感器第7章压电声传感器第7章压电声传感器第7章压电声传感器三三. 厚度振动换能器厚度振动换能器 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。图7.1为厚度振动换能器结构图。图7.1厚度振动换能器结构图第7章压电声传感器压电晶片通常为圆片。保护膜的作用是防止晶片与外界接触和磨损,并起声
2、阻抗匹配作用。背衬由环氧树脂和钨粉混合固化而成,用于增加机械阻尼,扩展带宽,减小波形失真,提高分辨率。第7章压电声传感器图7.2是超声检测中实际应用的探头的结构剖面图。图(a)为直探头,声波垂直入射。图(b)为斜探头,声波以一定角度入射。图7.2超声检测中实际应用的探头结构接线座绝缘柱外壳电极引线背衬晶片模块外壳绝缘柱接线座电极引线背衬晶片第7章压电声传感器从探头的结构可见,厚度振动换能器主要由压电陶瓷晶片、保护膜和背衬组成。这三部分决定了厚度振动换能器的主要特性,图7.2超声检测中实际应用的探头结构接线座绝缘柱外壳电极引线背衬晶片模块外壳绝缘柱接线座电极引线背衬晶片第7章压电声传感器下面就以
3、图7.3所示的厚度振动换能器的这一理论模型研究这种换能器的性能。图中1为保护膜,2为背衬,3为压电晶片。图7.3厚度振动换能器的理论模型第7章压电声传感器从晶体的压电方程、运动方程、几何方程和边界条件,可导出如图7.4所示的厚度振动晶片的机电等效图。图中,、v、t和S分别表示晶片的密度、声速、厚度和截面积,C0=S/(tS33)为晶片截止电容,n=Sh33/(S33t)为机电转换系数,、和F1、F2表示晶片两端的振速和所受外力。图7.4厚度振动晶片的机电等效图第7章压电声传感器保护膜和背衬的等效机电图如图7.5所示。对保护。对背衬只需将下标1改为2,则Z1和Z2有相同的表达式。图7.5保护膜和
4、背衬的等效机电图第7章压电声传感器图7.6厚度振动换能器的机电等效图由图7.4和图7.5,利用交界面力和速度连续的边界条件,可得到如图7.6所示的厚度振动换能器的机电等效图。图中Zs为辐射声阻抗。第7章压电声传感器若设背衬的机械阻抗为无限大（这近似一般的实际情况）,即图7.6中的22端开路,可得辐射面共振（10最大）的共振条件为式中第7章压电声传感器辐射面共振时的辐射声功率为接收时,在声压p的作用下,低频时的开路输出电压为可见,在很低频率时,开路输出电压是与频率无关的常数。第7章压电声传感器四四. 圆柱形压电换能器圆柱形压电换能器 1.结构形式圆柱形压电换能器的转换元件为一压电陶瓷圆管,极化方
5、向常沿着半径方向(径向极化)和长度方向(纵向极化),作接收换能器时,有时极化方向也沿着圆周的切线方向(切向极化)。当换能器工作于发射状态时,压电陶瓷圆管在电场的作用下,借助反向压电效应,发生伸张或收缩,从而向媒质发射声波。第7章压电声传感器当换能器工作于接收状态时,压电陶瓷圆管在声信号的作用下发生伸张或收缩,借助正向压电效应,转换为电信号输出。圆管内部常充以反射材料或吸声材料,振子置于充油的外壳中或直接在外部硫化一层透声橡胶和浇注一层高分子材料。圆柱形压电换能器沿半径方向有均匀的指向性、有较高的灵敏度,且结构较简单,因而广泛用于水声技术、超声技术、海洋开发和地质勘探中,并常用来作标准接收换能器
6、。第7章压电声传感器图7.7为一圆柱形水听器的结构。图中,1同轴电缆,2金属套筒,3橡皮护套和衬垫,4压电陶瓷圆管,5释压材料,6金属端帽。在低频（远低于共振频率）时,这种换能器的接收灵敏度有平坦的响应。较小的圆管有较高的共振频率,可获得较宽的、平坦的频带宽度,但灵敏度将有所降低。图7.7圆柱形水听器的结构第7章压电声传感器2.薄壁圆管的共振频率方程长为l,平均半径为a,边界自由的薄壁圆管的共振频率方程为式中,l=v/l,r=v/a,v为声速,为泊松系数,=1,3,5下面考虑几种特殊情形（当1时）:(1)a0即为长l的棒的共振角频率。式中,为密度,YE0为杨氏模量。第7章压电声传感器(2)l0即为平均半径为a的薄圆环径向振动的共振角频率。(3)l为无穷长的薄壁圆管径向共振角频率。第7章压电声传感器(4)l=r即a=l或写成为长度等于半周长的薄圆管的耦合共振角频率。第7章压电声传感器3.开路接收电压灵敏度当频率远低于第一个共振频率时接收灵敏度有平坦的响应。接收灵敏度还和圆柱水听器的两端力学边界条件有关。对于管端自由（声屏蔽）的力学边界条件得到的低频时的开路接收电压灵敏度为其中,a和b分别为圆管的内外径,g33和g31为压电常数。
