超声波换能器的分析方法

超声换能器的分析方法 超声换能器包含了电路系统、机械振动系统和声学系统 ,并且三者在换能器工作时 ,有机地结合在一起成为一个统一的整体. 这样就决定了对它的研究方法是融合了电子学、力学、声学等诸方面的研究方法 ,并且通过电 - 力 - 声类比 ,使三者能够用统一的等效机电图和等效方程式 ,方便地进行对其深入的研究。

为了确定超声换能器的工作状态 ,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。