超声波换能器有限元计算方法的运用

　　超声波换能器的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而自身消耗很少的一部分功率。
 

　　超声波换能器，要解决的技术问题是设计一种作用距离大、频带宽的换能器。换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。
 

　　超声波换能器有限元计算方法的运用，为了确定换能器的工作状态 ,必须求出它的机械振动系统的状态方程式和电路系统状态方程式.换能器机械系统的状态方程式 (简称为机械振动方程 )是换能器处于工作状态时 ,描写它的机械振动系统的力与振速的关系式 ,而电路系统的状态方程式 (简称电路状态方程式 )是描写电路系统的振动特性的. 由于换能器的机械系统和电路系统是互相耦合的 ,所以机械系统的振动会影响到电路的平衡 ,而电路的变化也会影响到机械系统的振动 ,因此我们总是利用这些方程组分析、讨论换能器的工作特性。
 

　　在超声波换能器的设计过程中 ,有限元计算方法得到了青睐 ,其中普遍的商用软件就是ANSYS. 其中与换能器设计有关的问题主要是结构分析、压电耦合分析、流体 - 结构耦合分析 ,有时还要用到电磁场分析、热分析等. 用 ANSYS设计分析换能器的突出优点是不受换能器结构及尺寸的限制 ,可进行复杂结构换能器的设计. 利用有限元软件进行换能器的设计能方便地计算出换能器的谐振频率 ,观察谐振时换能器各部分的位移分布 ,得到换能器的导纳曲线、发射接收的频率响应曲线和指向性图 ,还可进行换能器的结构优化。