基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器及方法技术

本发明专利技术属于换能器技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器及方法，夹心式球形超声换能器包括由内向外依次包裹的内球壳、叠堆的压电陶瓷球壳和外球壳；所述叠堆的压电陶瓷球壳包括内外包裹式叠堆的至少两个压电陶瓷球壳，叠堆的压电陶瓷球壳内外表面形成交错布设的正负极；所述夹心式球形超声换能器的等效电路包括内阻抗电路和外阻抗电路以及连接在内阻抗电路与外阻抗电路之间的压电逆变单元；所述内阻抗电路与内球壳对应，所述外阻抗电路与外球壳对应，所述压电逆变单元与叠堆的压电陶瓷球壳对应。本发明专利技术提供的压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，简化了等效电路，具有更小的电阻抗和更大的径向位移。的径向位移。的径向位移。

【技术实现步骤摘要】
基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器及方法


[0001]本专利技术属于换能器
，具体涉及一种基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器及方法。

技术介绍

[0002]夹心式超声换能器，由于效率高、结构简单、易于优化等优点，被广泛应用；夹心式超声换能器的结构是将压电陶瓷放在前盖板和后盖板之间组成，常见的有纵向夹心式超声换能器和径向夹心式超声换能器。对于径向夹心式超声换能器，也称夹心式球形压电换能器，这种结构的球形压电换能器已被应用于水下声学和结构健康监测中。
[0003]众所周知，由于压电陶瓷的驱动电压和位移一般是成线性关系，也就是电压越大，位移越大；且压电陶瓷壳越厚，耐压值就会越大且不易被击穿，然而实际应用中压电陶瓷壳的壁厚受工作电压和极化技术的限制，导致压电陶瓷壳的振动性能受到限制。所以，对纵向夹心式压电陶瓷超声换能器，可使用压电陶瓷晶堆来增大换能器的振动性能；但目前关于压电陶瓷叠堆的夹心球形换能器还未见报道。此外，现有的夹心式球形压电换能器，它的结构为两个金属球壳之间加一个压电陶瓷球壳，存在机械等效电路复杂，电阻抗大，径向位移小的缺陷。

技术实现思路

[0004]针对上述现有夹心式球形压电换能器存在电阻抗大以及径向位移小的技术问题，本专利技术提供一种基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器及方法，简化了等效电路，具有更小的电阻抗和更大的径向位移。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，夹心式球形超声换能器包括由内向外依次包裹的内球壳、叠堆的压电陶瓷球壳和外球壳；
[0007]所述叠堆的压电陶瓷球壳包括内外包裹式叠堆的至少两个压电陶瓷球壳，叠堆的压电陶瓷球壳内外表面形成交错布设的正负极；
[0008]所述夹心式球形超声换能器的等效电路包括内阻抗电路和外阻抗电路以及连接在内阻抗电路与外阻抗电路之间的压电逆变单元；所述内阻抗电路与内球壳对应，所述外阻抗电路与外球壳对应，所述压电逆变单元与叠堆的压电陶瓷球壳对应。
[0009]进一步限定，所述内阻抗电路包括串联的负载阻抗Z
L
和第一T型电阻网络模块；所述第一T型电阻网络模块是由等效机械阻抗Z
11
、Z
12
和Z
13
呈T型连接组成。
[0010]进一步限定，所述外阻抗电路包括串联的负载阻抗Z
R
和第二T型电阻网络模块；所述第二T型电阻网络模块是由等效机械阻抗Z
21
、Z
22
和Z
23
呈T型连接组成。
[0011]进一步限定，所述压电逆变单元包括至少2个串联的压电逆变电路，所述压电逆变电路包括第一变压器、中间T型电阻网络模块、第二变压器以及正反钳定电容；所述第一变压器和第二变压器分别于正反钳定电容并联；所述中间T型电阻网络模块串接在第一变压
器和第二变压器之间。
[0012]进一步限定，所述中间T型电阻网络模块是由等效机械阻抗Z
pi1
、Z
pi2
和Z
pi3
呈T型连接组成，i＝压电陶瓷球壳的叠堆层数。
[0013]进一步限定，所述第一变压器的机电转换系数N
i1
和第二变压器的机电转换系数N
i2
满足：
[0014]N
i1
/N
i2
＝n2/n1[0015][0016][0017][0018][0019][0020]b1＝J
μ
(λr
i+1
)Y
μ
(λr
i
)
‑
J
μ
(λr
i
)Y
μ
(λr
i+1
)
[0021]其中：r
i+1
表示第i+1层压电陶瓷球壳的半径，r
i
表示第i层压电陶瓷球壳的半径；n1、n2为球形换能器等效电路推导过程中的参数表达式，c
11
、c
12
、c
13
、c
33
均为弹性常数，e
31
和e
33
均为压电常数，ε
33
为介电常数，λ为波长；J
μ+1
(λr
i
)Y为λr
i
下参数μ+1对应的一阶贝塞尔函数，J
μ
(λr
i+1
)为λr
i+1
下参数μ对应的一阶贝塞尔函数、(J
μ+1
(λr
i+1
)为λr
i+1
下参数μ+1对应的一阶贝塞尔函数；J
μ
(λr
i
)为λr
i
下参数μ对应的一阶贝塞尔函数；Y
μ+1
(λr
i
)为λr
i
下参数μ+1对应的二阶贝塞尔函数；Y
μ
(λr
i+1
)为λr
i+1
下参数μ对应的二阶贝塞尔函数；Y
μ+1
(λr
i+1
)为λr
i+1
下参数μ+1对应的二阶贝塞尔函数；Y
μ
(λr
i
)为λr
i
下参数μ对应的二阶贝塞尔函数；为λr
i
下参数s对应的一阶隆美尔函数；为λr
i+1
下参数s对应的一阶隆美尔函数、为λr
i
下参数对应的一阶隆美尔函数；为λr
i+1
下参数对应的一阶隆美尔函数。
[0022]进一步限定，所述压电陶瓷球壳的叠堆层数i＝2；所述压电陶瓷球壳包括第一压电陶瓷球壳和第二压电陶瓷球壳，所述第一压电陶瓷球壳设置在第二压电陶瓷球壳的内侧；所述第一压电陶瓷球壳的内表面与内球壳外表面接触；所述第二压电陶瓷球壳的外表面与外球壳的内表面接触。
[0023]进一步限定，所述夹心式球形超声换能器的几何尺寸T满足以下公式：
[0024]T＝(r4‑
r2)/(r5‑
r2),0<T<1
[0025]其中：
[0026]r1为内球壳的内半径；
[0027]r2为第一压电陶瓷球壳的内半径；
[0028]r3为第二压电陶瓷球壳的内半径；
[0029]r4为外球壳的内半径；
[0030]r5为外球壳的外半径。
[0031]进一步限定，所述r1＝11mm～19mm；所述第一压电陶瓷球壳和第二压电陶瓷球壳的总厚度为2mm～6mm。
[0032]进一步限定，当11mm<r2<15mm，换能器共振频率f
r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，其特征在于，夹心式球形超声换能器包括由内向外依次包裹的内球壳、叠堆的压电陶瓷球壳和外球壳；所述叠堆的压电陶瓷球壳包括内外包裹式叠堆的至少两个压电陶瓷球壳，叠堆的压电陶瓷球壳内外表面形成交错布设的正负极；所述夹心式球形超声换能器的等效电路包括内阻抗电路和外阻抗电路以及连接在内阻抗电路与外阻抗电路之间的压电逆变单元；所述内阻抗电路与内球壳对应，所述外阻抗电路与外球壳对应，所述压电逆变单元与叠堆的压电陶瓷球壳对应。2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，其特征在于，所述内阻抗电路包括串联的负载阻抗Z
L
和第一T型电阻网络模块；所述第一T型电阻网络模块是由等效机械阻抗Z
11
、Z
12
和Z
13
呈T型连接组成。3.根据权利要求2所述的基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，其特征在于，所述外阻抗电路包括串联的负载阻抗Z
R
和第二T型电阻网络模块；所述第二T型电阻网络模块是由等效机械阻抗Z
21
、Z
22
和Z
23
呈T型连接组成。4.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，其特征在于，所述压电逆变单元包括至少2个串联的压电逆变电路，所述压电逆变电路包括第一变压器、中间T型电阻网络模块、第二变压器以及正反钳定电容；所述第一变压器和第二变压器分别于正反钳定电容并联；所述中间T型电阻网络模块串接在第一变压器和第二变压器之间。5.根据权利要求4所述的基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，其特征在于，所述中间T型电阻网络模块是由等效机械阻抗Z
pi1
、Z
pi2
和Z
pi3
呈T型连接组成，i＝压电陶瓷球壳的叠堆层数。6.根据权利要求5所述的基于压电陶瓷壳叠堆的夹心式球形超声换能器，其特征在于，所述第一变压器的机电转换系数N
i1
和第二变压器的机电转换系数N
i2
满足：N
i1
/N
i2
＝n2/n
11111
b1＝J
μ
(λr
i+1
)Y
μ
(λr
i
)
‑
J
μ
(λr
i
)Y
μ
(λr
i+1
)其中：r
i+1
表示第i+1层压电陶瓷球壳的半径，r
i
表示第i层压电陶瓷球壳的半径；n1、n2为球形换能器等效电路推导过程中的参数表达式，c
11
、c
12
、c
13
、c
33
均为弹性常数，e
31
和e
33
均
为压电常数，ε
33
为介电常数，λ为波长；J
μ+1
(λr
i
)为λr
i
下参数μ+1对应的一阶贝塞尔函数，J
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一璠，林书玉，陈诚，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：