[发明专利]一种空心超声换能器的频率优化方法

权利要求书

1.一种空心超声换能器的频率优化方法，其特征在于，所述空心超声换能器包括前盖板(1)、若干压电陶瓷(2)、电极片(3)、后盖板(4)、预紧螺栓(5)和绝缘套(6)；所述前盖板(1)固定安装在所述预紧螺栓(5)的螺纹端；所述压电陶瓷(2)套装在所述预紧螺栓(5)的栓体上，并且所述压电陶瓷(2)的一侧紧压在所述前盖板(1)上；所述后盖板(4)固定安装在所述预紧螺栓(5)的栓体上，并且，所述后盖板(4)的一侧紧压在压电陶瓷(2)的另一侧，所述盖板(4)的另一侧紧压在所述预紧螺栓(5)的螺母内侧；在所述预紧螺栓(5)安装压电陶瓷(2)和后盖板(4)的栓体表面上套有绝缘套(6)；在前盖板(1)与压电陶瓷(2)之间、相邻两片压电陶瓷(2)之间以及压电陶瓷(2)与后盖板(4)之间均设有电极片(3)；所述空心超声换能器的频率优化方法包括：

步骤一、建立位于位移界面右侧四分之一波长振子的机电等效电路，并获取：

Z_m2＝R_m2+iX_m2

其中，Z_1p表示等效电路串联阻抗；ρ、c_z、k_z、分别表示压电陶瓷密度、压电陶瓷晶堆纵向振动等效声速、波数；S_z表示压电陶瓷片的截面积；l₁表示位移节面右边四分之一波长中压电陶瓷片长度；Z_2p表示等效电路并联阻抗；Z_m2表示换能器前盖板的输入阻抗；R_m2和X_m2分别表示换能器前盖板的等效电阻和等效容抗；

步骤二、将四分之一波长振子等效电路的左边视为开路，根据回路中总阻抗为零的条件：Z_1p+Z_2p+iX_m2＝0，获得所述位移节面右边四分之一波长振子的频率方程和所述位移节面左边四分之一波长振子的频率方程分别为：

其中，X_m4和l₃分别表示为换能器后盖板的等效容抗和移节面左边四分之一波长中压电陶瓷片长度；

步骤三、将前盖板和后盖板为等截面圆柱结构，并且不考虑换能器前盖板和后盖板的负载阻抗以及压电换能器各部分材料损耗，此时，换能器中压电陶瓷的前、后端面的负载阻抗，简化为下面的形式：

Z_m2＝iX_m2＝iρ₂c₂S₂tan(k₂l₂)

Z_m4＝iX_m4＝iρ₄c₄S₄tan(k₄l₄)

其中，ρ₂，c₂，S₂及ρ₄，c₄，S₄分别是空心夹心式换能器中前盖板和后盖板密度、声速和截面积；k₂，l₂及k₄，l₄分别是前后盖板材料的波数和长度，k₂＝2πf/c₂，k₄＝2πf/c₄，

步骤四、根据步骤三获得的压电陶瓷的前、后端面的负载阻抗获得等截面圆柱结构的前、后盖板的空心夹心式压电换能器的频率方程为：

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