超聲換能器表面振動和聲場測量及其與經(jīng)典超聲換能器的仿真比較

孫彥招，張濤

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超聲換能器表面振動和聲場測量及其與經(jīng)典超聲換能器的仿真比較

孫彥招，張濤

(天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072)

超聲換能器廣泛應用于聲學測量，其工作性能主要取決于它的振動與聲特征。然而，多數(shù)研究中的換能器被認為是經(jīng)典的活塞或高斯型，經(jīng)典與常用的真實換能器之間的差異容易被忽視?；诖?，首先用激光測振和傳聲器測聲方法測量了某廠家換能器產(chǎn)品的表面振動與聲場特征。然后設計有限元方案，分別仿真經(jīng)典與真實換能器的聲場。最后從輻射面振速分布、聲場聲壓和相關系數(shù)等方面，綜合比較經(jīng)典與真實超聲換能器之間振動與聲場的異同。結果表明，換能器間的輻射面振速分布差別明顯，所研究的真實換能器的聲場特征接近于活塞，而與高斯型差別較大。

超聲換能器；振動測量；聲測量；有限元方法；聲場

0 引言

超聲換能器廣泛應用于測量領域。換能器表面的振動形態(tài)及輻射出的聲場分布直接影響其工作的準確度和可靠性，因此研究這兩方面具有重要意義。學者從實驗和仿真兩方面進行了研究。

對于實驗，Sapozhnikov等[1]用激光測振儀測量了方形壓電片表面的振動特征，并用聲全息法構造了近場區(qū)的聲場特征。Jimenez等[2]用Labview軟件編寫了壓電換能器振動測量的數(shù)據(jù)處理和實驗結果可視化程序，展示了換能器表面不規(guī)則的振動形態(tài)。Kluk等[3]搭建了用于超聲換能器參數(shù)估計和狀態(tài)診斷的測量系統(tǒng)。金士杰等[4]用光彈法測量了超聲換能器的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的輻射聲場特征。

對于仿真，2009年，Clayton研究了虛擬的復合式壓電換能器的電、聲和力耦合場，得到了發(fā)射電壓峰值處換能器的輻射聲壓等值線圖[5]。2011年，Rahani等[6]對有限尺寸的平面圓形換能器發(fā)射的超聲波聲場進行了分析。2012年，Martins等[7]對活塞型超聲換能器的單層和多層厚度模態(tài)進行了優(yōu)化，討論了厚度、共振頻率和結構對換能器輸出聲壓值的影響。2014年，劉雪林等[8]討論了活塞型超聲換能器發(fā)射頻率和換能器尺寸對聲場分布的影響。

通過文獻分析發(fā)現(xiàn)，近些年學者在超聲換能器實驗和仿真研究方面做了很多工作，取得了許多成果。但在仿真時，研究者將重點放在內(nèi)部力電聲耦合[5,7,9-10]或經(jīng)典換能器(以下指活塞型或高斯型換能器[11])上[5-8]。對于設計、制造、材料、使用環(huán)境和使用時間等因素[1-3,11-12]導致的真實換能器表面振動形態(tài)和輻射聲場特征，還需繼續(xù)研究。而在實驗測量真實換能器時，與仿真的結合、定量比較等方面也需進一步研究。

基于此，為了比較某廠家的超聲測距換能器產(chǎn)品(以下簡稱真實換能器)與經(jīng)典換能器的異同，進行了如下的工作。首先設計含激光測振和傳聲器測聲的實驗方案，實測換能器的表面振動和聲輻射特征。然后借助COMSOL軟件設計仿真方案，分別仿真經(jīng)典與真實換能器的聲場。最后分別驗證經(jīng)典和真實換能器的聲場仿真準確度。同時從換能器表面振速分布、聲軸線聲壓和相關系數(shù)等3方面，綜合比較真實與經(jīng)典超聲換能器振動與場的異同。

1 換能器的振動與輻射聲場的測量

1.1 實驗方案

使用某廠家生產(chǎn)的超聲測距換能器時，為判斷其是否屬于經(jīng)典的活塞型或高斯型換能器[11]，設計了表面振動和輻射聲測量的實驗方案。

換能器輻射表面振動測量系統(tǒng)見圖1，它主要由1#和2#兩個圓柱形PZT5壓電陶瓷復合換能器(同型號、同批次產(chǎn)品)、換能器激勵電路和Polytec PSV-400-3D型非接觸式激光振動測量儀等組成。換能器激勵信號為任意常用的峰峰值為336 V和434 V、頻率為36.18 kHz的正弦波。測振儀用來檢測換能器輻射表面的振速，頻率測量范圍0～1 MHz。對換能器表面L1至L8線上的81個點進行逐點掃描，見圖2。

聲測量裝置見圖3，它除了用振動測量系統(tǒng)中的超聲換能器、換能器激勵電路外，還用了三維移動定位系統(tǒng)、傳聲器及前置放大器、示波器。三維移動定位系統(tǒng)的最小分辨率為0.05 mm。傳聲器為預極化駐極體測試電容式，頻率范圍為0.02～70 kHz。示波器帶寬為100 MHz、采樣率為1.0 GHz。為了避免高頻率聲源輻射時，聲場測量布點多、任務量大的特點，測量只在過換能器輻射表面中心的軸上進行。在此中心軸上，0～300 mm距離內(nèi)以每5 mm的間隔來測量聲壓值。對于振動和聲場測量，每個點均測量5次。

圖1 換能器表面振速測量系統(tǒng)

圖2 換能器表面的振速測量點及其投影示意

圖3 換能器的輻射聲場測量系統(tǒng)

1.2 實驗結果分析方法

首先分析振速數(shù)據(jù)。振速信號的波形見圖4，橫、縱坐標分別是時間和速度。

圖4 換能器表面測量點的振動信號波形

2 換能器輻射聲場的仿真

2.1 經(jīng)典換能器的仿真方法

在經(jīng)典換能器仿真時，使用與真實換能器相同的幾何尺寸、共振頻率和表面振速幅值等參數(shù)，以便與真實換能器進行比較。用有限元法求解換能器聲場，方案如下。

2.2 真實換能器的仿真方法

圖5 換能器的幾何體和求解域

3 真實與經(jīng)典換能器的結果比較

3.1 換能器聲場仿真的驗證

計算結果如表1所示。由表1可知，兩類經(jīng)典聲源SPL的解析解與有限元解的最大和最小誤差分別為0.09%和-0.10%。

然后，將仿真值與實驗值進行比較，驗證真實換能器的仿真正確度。圖6顯示了聲源軸線上不同位置處仿真和實驗結果的比較。對于3組仿真-實驗情形，在0～0.025 m范圍的換能器附近，相對誤差范圍為-2.75%～-0.15%。在0.05～0.29 m的范圍，因聲能分布隨距離的增大而發(fā)散，仿真和實驗值都隨距離的增加而迅速減小。最大相對誤差1.16%出現(xiàn)在“1#換能器434 V”的情形。當距離大于0.29 m時，仿真值突然下降，這是因為仿真時此區(qū)域處于聲波吸收作用強的完美匹配層(Perfect Matched Layer, PML)中。

表1 經(jīng)典換能器軸線上聲壓級的仿真值與計算值比較

圖6 真實換能器中心軸線上聲壓級的仿真值與實測值比較

通過換能器的仿真和對比可知，有限元解、解析解以及實驗值具有良好的一致性，說明了仿真方案是可行的。

3.2 換能器表面振動形態(tài)的比較

圖7 經(jīng)典與真實換能器輻射面的振速分布

Fig.7 Vibration velocity distributions on the radiation surfaces of classic and real transducers

表2 換能器表面振速分布的相關系數(shù)

3.3 換能器振動輻射聲場的比較

圖9顯示了經(jīng)典和真實兩類換能器輻射聲場的聲壓級分布。由圖9(a)、9(b)可知，活塞聲源的聲場在近場具有空間的不均勻性，而在遠場具有旁瓣輻射；高斯聲源的聲場中無旁瓣，聲場分布呈高斯規(guī)律。

圖8 經(jīng)典與真實換能器聲場軸線上的聲壓幅值比較

圖9 仿真得出的經(jīng)典與真實換能器聲場分布

圖9(c)～9(e)顯示了1#和2#換能器的模擬聲特征。由圖9可知，聲場中有1個主瓣和4個旁瓣，主瓣集中了聲場的大部分能量。對于1#換能器，在2種電壓下，主瓣寬度和形狀相似，但與2#換能器有小的差別。對于1#換能器，激勵電壓越大，聲場聲壓越大。而對于不同的換能器1#和2#，在相同的激勵電壓下，1#換能器的聲場大于2#換能器聲場的最大值和最小值。

圖9(c)～9(e)與圖9(a)～9(b)相比較，可以發(fā)現(xiàn)，聲場中主瓣和旁瓣的形狀和數(shù)量，隨換能器類型、激勵電壓的變化而存在差異。以上的定性結論也可從各聲場的相關系數(shù)(見表3)中得到定量證實。

表3 換能器聲場分布的相關系數(shù)

4 結論

用經(jīng)過驗證的仿真和實驗方案，分析了某廠家換能器產(chǎn)品的振動和聲輻射特征，并與經(jīng)典換能器進行比較，結論如下。

(1) 表面振速分布。通過激光測振和換能器測聲實驗發(fā)現(xiàn)，真實換能器的表面振速分布呈不均勻和非對稱性，可以用高次多項式來擬合振速分布，不同于經(jīng)典換能器的常數(shù)或高斯函數(shù)。通過相關系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，各換能器之間表面振速分布的相似度，隨換能器類型、激勵電壓的變化而存在顯著的差異。對于同一個真實換能器，在不同的激勵電壓下，振速分布的相關度較高。

(2) 聲場分布。對于換能器中心軸線的聲壓變化，通過實驗測量和仿真發(fā)現(xiàn)，在換能器的近場和遠場，相同距離處、不同類型換能器的聲壓差異較大，近場區(qū)聲壓值變化趨勢和數(shù)值的差異更大。對于聲場分布，根據(jù)相關系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，換能器之間聲場分布的相關度，也隨換能器類型、激勵電壓的變化而存在差異。相同換能器在不同的激勵電壓下，聲場分布的相關度高。

總之，由于設計、制造、材料、使用環(huán)境和使用時間等因素，會使真實換能器與經(jīng)典換能器之間的振動與輻射聲特征存在差異。此外，所述的仿真、測量和分析方法，可以為研究者進一步精確分析工程和科研應用中換能器的振動及聲輻射特征提供參考。

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Surface vibration and acoustic field measurements of real ultrasonic transducer and its comparison with classic one

SUN Yan-zhao, ZHANG Tao

(School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The ultrasonic transducers are widely used in acoustic measurements, and their working performance mainly depends on their vibration and acoustic characteristics. In most researches, the transducer is considered as the classic Piston or Gaussian one, but the difference between the real transducer and the classic one is usually ignored. In this paper, the surface vibration and acoustic field of a real made transducer are measured firstly by using laser vibration meter and microphone, and then a finite element scheme is designed to simulate the acoustic fields of the classic and the real transducers. Finally, the differences and similarities between classic and real transducers are analyzed in the three aspects: velocity distribution on radiation surface, pressure along acoustic axis and correlation coefficients. The results show that the velocity distributions on radiation surface are different between these transducers, the acoustic field characteristics of the real transducer are close to the Piston one, but greatly different from the Gaussian one.

ultrasonic transducer; vibration measurement; acoustic measurement; finite element method; acoustic field

TH212 TH213.3

A

1000-3630(2018)-04-0501-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.05.016

2017-10-15;

2017-12-18

國家自然科學基金面上項目(61671317)

孫彥招(1984－), 男, 河南平頂山人, 博士研究生, 研究方向為超聲換能器和超聲流量計。

張濤, E-mail:zt50@tju.edu.cn