夹心式功率超声压电换能器负载特性研究

　　在功率超声领域,夹心式压电超声换能器的应用比较广泛,原因在于此类换能器的电声效率高、功率容量大以及能器结构和形状可以根据不同的应用分别进行设计,使用者可以针对不同的应用,对换能器的不同参数,如电声效率、输入阻抗、前后振速比以及频带宽度等分别进行优化设计.

　　夹心式压电超声换能器主要由三部分组成,即压电陶瓷元件、金属后盖板以及与负载直接接触的金属前盖板.通常换能器的金属后盖板是直接与空气接触的.对于不同的超声应用,如超声清洗以及超声焊接等,换能器前后金属盖板的形状是不相同的,常用的形状有阶梯型、圆锥型、指数型、双曲线型以及复合型等.换能器的优化设计,就是针对不同的应用对换能器的形状和尺寸等加以统筹考虑,以实现某一参数的最优化[1~3].换能器的负载阻抗影响换能器的性能.然而,由于换能器的负载阻抗极为复杂且不易确定,因此,关于换能器负载特性的研究报道很少[4~6].鉴于这一原因,本文对换能器的负载特性进行研究,重点研究两种负载,即液体负载和固体负载,而这两种负载基本上代表了功率超声技术中涉及到的各种实际负载.

　　1 夹心式压电超声负载换能器的共振频率方程

　　在功率超声技术中,夹心式压电复合换能器主要由三部分组成,即金属后盖板、金属前盖板以及厚度极化的压电陶瓷薄圆环.当忽略换能器的机械损耗时,可以得出换能器的一维机电等效电路如图1所示.图中ZBL和ZFL分别是换能器后盖板以及前盖板处的负载阻抗;Z11,Z12和Z13是金属后盖板等效四端网络的各臂阻抗;Z21,Z22和Z23是金属前盖板等效四端网络的串并联阻抗;Z01和Z02是压电陶瓷圆环等效六端网络的串并联阻抗.它们的表达式可分别表示为

　　在上述各式中,ρ1,c1,S1,L1,Q2,c2,S2,L2以及ρ0,c0,S0,L0分别是换能器的金属后盖板、金属前盖板及压电陶瓷圆环的密度、纵波声速、横截面积以及长度;;E1和E2分别是换能器前后盖板材料的杨氏模量;sE33是压电陶瓷材料的弹性柔顺常数;k1,k2和k0分别是波数.在一般情况下,换能器的后盖板可以看成是空载的,即ZBL=0.然而换能器前盖板处的负载阻抗不能忽略,否则,换能器将不会向负载介质中辐射声波.换能器前盖板的负载阻抗ZFL表示各种不同的负载对换能器的反作用.对应不同的应用,换能器的负载是不同的,其负载阻抗的性质也是不同的.另一方面,在大部分超声应用技术中,尤其是在大功率超声技术中,换能器的负载阻抗是极为复杂的,很难用解析的表达式加以表述.对于液体负载和固体负载,其负载阻抗可用下面的公式近似表示:

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