孫彥招，張濤

?

超聲換能器表面振動(dòng)和聲場(chǎng)測(cè)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(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

超聲換能器廣泛應(yīng)用于聲學(xué)測(cè)量，其工作性能主要取決于它的振動(dòng)與聲特征。然而，多數(shù)研究中的換能器被認(rèn)為是經(jīng)典的活塞或高斯型，經(jīng)典與常用的真實(shí)換能器之間的差異容易被忽視?；诖?，首先用激光測(cè)振和傳聲器測(cè)聲方法測(cè)量了某廠家換能器產(chǎn)品的表面振動(dòng)與聲場(chǎng)特征。然后設(shè)計(jì)有限元方案，分別仿真經(jīng)典與真實(shí)換能器的聲場(chǎng)。最后從輻射面振速分布、聲場(chǎng)聲壓和相關(guān)系數(shù)等方面，綜合比較經(jīng)典與真實(shí)超聲換能器之間振動(dòng)與聲場(chǎng)的異同。結(jié)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(shí)換能器的聲場(chǎng)特征接近于活塞，而與高斯型差別較大。

超聲換能器；振動(dòng)測(cè)量；聲測(cè)量；有限元方法；聲場(chǎng)

0 引言

超聲換能器廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域。換能器表面的振動(dòng)形態(tài)及輻射出的聲場(chǎng)分布直接影響其工作的準(zhǔn)確度和可靠性，因此研究這兩方面具有重要意義。學(xué)者從實(shí)驗(yàn)和仿真兩方面進(jìn)行了研究。

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

對(duì)于仿真，2009年，Clayton研究了虛擬的復(fù)合式壓電換能器的電、聲和力耦合場(chǎng)，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(duì)有限尺寸的平面圓形換能器發(fā)射的超聲波聲場(chǎng)進(jìn)行了分析。2012年，Martins等[7]對(duì)活塞型超聲換能器的單層和多層厚度模態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化，討論了厚度、共振頻率和結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)聲場(chǎng)分布的影響。

通過(guò)文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，近些年學(xué)者在超聲換能器實(shí)驗(yàn)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(shí)，研究者將重點(diǎn)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(duì)于設(shè)計(jì)、制造、材料、使用環(huán)境和使用時(shí)間等因素[1-3,11-12]導(dǎo)致的真實(shí)換能器表面振動(dòng)形態(tài)和輻射聲場(chǎng)特征，還需繼續(xù)研究。而在實(shí)驗(yàn)測(cè)量真實(shí)換能器時(shí)，與仿真的結(jié)合、定量比較等方面也需進(jìn)一步研究。

基于此，為了比較某廠家的超聲測(cè)距換能器產(chǎn)品(以下簡(jiǎn)稱真實(shí)換能器)與經(jīng)典換能器的異同，進(jìn)行了如下的工作。首先設(shè)計(jì)含激光測(cè)振和傳聲器測(cè)聲的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)測(cè)換能器的表面振動(dòng)和聲輻射特征。然后借助COMSOL軟件設(shè)計(jì)仿真方案，分別仿真經(jīng)典與真實(shí)換能器的聲場(chǎng)。最后分別驗(yàn)證經(jīng)典和真實(shí)換能器的聲場(chǎng)仿真準(zhǔn)確度。同時(shí)從換能器表面振速分布、聲軸線聲壓和相關(guān)系數(shù)等3方面，綜合比較真實(shí)與經(jīng)典超聲換能器振動(dòng)與場(chǎng)的異同。

1 換能器的振動(dòng)與輻射聲場(chǎng)的測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

使用某廠家生產(chǎn)的超聲測(cè)距換能器時(shí)，為判斷其是否屬于經(jīng)典的活塞型或高斯型換能器[11]，設(shè)計(jì)了表面振動(dòng)和輻射聲測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案。

換能器輻射表面振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖1，它主要由1#和2#兩個(gè)圓柱形PZT5壓電陶瓷復(fù)合換能器(同型號(hào)、同批次產(chǎn)品)、換能器激勵(lì)電路和Polytec PSV-400-3D型非接觸式激光振動(dòng)測(cè)量?jī)x等組成。換能器激勵(lì)信號(hào)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(cè)振儀用來(lái)檢測(cè)換能器輻射表面的振速，頻率測(cè)量范圍0～1 MHz。對(duì)換能器表面L1至L8線上的81個(gè)點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，見(jiàn)圖2。

聲測(cè)量裝置見(jiàn)圖3，它除了用振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中的超聲換能器、換能器激勵(lì)電路外，還用了三維移動(dòng)定位系統(tǒng)、傳聲器及前置放大器、示波器。三維移動(dòng)定位系統(tǒng)的最小分辨率為0.05 mm。傳聲器為預(yù)極化駐極體測(cè)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(shí)，聲場(chǎng)測(cè)量布點(diǎn)多、任務(wù)量大的特點(diǎn)，測(cè)量只在過(guò)換能器輻射表面中心的軸上進(jìn)行。在此中心軸上，0～300 mm距離內(nèi)以每5 mm的間隔來(lái)測(cè)量聲壓值。對(duì)于振動(dòng)和聲場(chǎng)測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)均測(cè)量5次。

圖1 換能器表面振速測(cè)量系統(tǒng)

圖2 換能器表面的振速測(cè)量點(diǎn)及其投影示意

圖3 換能器的輻射聲場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法

首先分析振速數(shù)據(jù)。振速信號(hào)的波形見(jiàn)圖4，橫、縱坐標(biāo)分別是時(shí)間和速度。

圖4 換能器表面測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)波形

2 換能器輻射聲場(chǎng)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(shí)，使用與真實(shí)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(shí)換能器進(jìn)行比較。用有限元法求解換能器聲場(chǎng)，方案如下。

2.2 真實(shí)換能器的仿真方法

圖5 換能器的幾何體和求解域

3 真實(shí)與經(jīng)典換能器的結(jié)果比較

3.1 換能器聲場(chǎng)仿真的驗(yàn)證

計(jì)算結(jié)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(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證真實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。對(duì)于3組仿真-實(shí)驗(yàn)情形，在0～0.025 m范圍的換能器附近，相對(duì)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(shí)驗(yàn)值都隨距離的增加而迅速減小。最大相對(duì)誤差1.16%出現(xiàn)在“1#換能器434 V”的情形。當(dāng)距離大于0.29 m時(shí)，仿真值突然下降，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)此區(qū)域處于聲波吸收作用強(qiáng)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(jí)的仿真值與計(jì)算值比較

圖6 真實(shí)換能器中心軸線上聲壓級(jí)的仿真值與實(shí)測(cè)值比較

通過(guò)換能器的仿真和對(duì)比可知，有限元解、解析解以及實(shí)驗(yàn)值具有良好的一致性，說(shuō)明了仿真方案是可行的。

3.2 換能器表面振動(dòng)形態(tài)的比較

圖7 經(jīng)典與真實(shí)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(guān)系數(shù)

3.3 換能器振動(dòng)輻射聲場(chǎng)的比較

圖9顯示了經(jīng)典和真實(shí)兩類換能器輻射聲場(chǎng)的聲壓級(jí)分布。由圖9(a)、9(b)可知，活塞聲源的聲場(chǎng)在近場(chǎng)具有空間的不均勻性，而在遠(yuǎn)場(chǎng)具有旁瓣輻射；高斯聲源的聲場(chǎng)中無(wú)旁瓣，聲場(chǎng)分布呈高斯規(guī)律。

圖8 經(jīng)典與真實(shí)換能器聲場(chǎng)軸線上的聲壓幅值比較

圖9 仿真得出的經(jīng)典與真實(shí)換能器聲場(chǎng)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(chǎng)中有1個(gè)主瓣和4個(gè)旁瓣，主瓣集中了聲場(chǎng)的大部分能量。對(duì)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(duì)于1#換能器，激勵(lì)電壓越大，聲場(chǎng)聲壓越大。而對(duì)于不同的換能器1#和2#，在相同的激勵(lì)電壓下，1#換能器的聲場(chǎng)大于2#換能器聲場(chǎng)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(chǎng)中主瓣和旁瓣的形狀和數(shù)量，隨換能器類型、激勵(lì)電壓的變化而存在差異。以上的定性結(jié)論也可從各聲場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)表3)中得到定量證實(shí)。

表3 換能器聲場(chǎng)分布的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的仿真和實(shí)驗(yàn)方案，分析了某廠家換能器產(chǎn)品的振動(dòng)和聲輻射特征，并與經(jīng)典換能器進(jìn)行比較，結(jié)論如下。

(1) 表面振速分布。通過(guò)激光測(cè)振和換能器測(cè)聲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，真實(shí)換能器的表面振速分布呈不均勻和非對(duì)稱性，可以用高次多項(xiàng)式來(lái)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(guò)相關(guān)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(lì)電壓的變化而存在顯著的差異。對(duì)于同一個(gè)真實(shí)換能器，在不同的激勵(lì)電壓下，振速分布的相關(guān)度較高。

(2) 聲場(chǎng)分布。對(duì)于換能器中心軸線的聲壓變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和仿真發(fā)現(xiàn)，在換能器的近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，相同距離處、不同類型換能器的聲壓差異較大，近場(chǎng)區(qū)聲壓值變化趨勢(shì)和數(shù)值的差異更大。對(duì)于聲場(chǎng)分布，根據(jù)相關(guān)系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，換能器之間聲場(chǎng)分布的相關(guān)度，也隨換能器類型、激勵(lì)電壓的變化而存在差異。相同換能器在不同的激勵(lì)電壓下，聲場(chǎng)分布的相關(guān)度高。

總之，由于設(shè)計(jì)、制造、材料、使用環(huán)境和使用時(shí)間等因素，會(huì)使真實(shí)換能器與經(jīng)典換能器之間的振動(dòng)與輻射聲特征存在差異。此外，所述的仿真、測(cè)量和分析方法，可以為研究者進(jìn)一步精確分析工程和科研應(yīng)用中換能器的振動(dòng)及聲輻射特征提供參考。

[1] SAPOZHNIKOV O A, MOROZOV A V, CATHIGNOL D. Piezoelectric transducer surface vibration characterization using acoustic holography and laser vibrometry[C]//Montreal: IEEE Ultrason Ferroelect & Frequency Control Soc, 2004, 161-164.

[2] JIMENEZ F J, FRUTOS J D. Virtual instrument for measurement, processing data, and visualization of vibration patterns of piezo- electric devices[J]. Computer Standards& Interfaces, 2005, 27(6): 653-663.

[3] KLUK P, MILEWSKI A, KARDYS W, et al. Measurement system for parameter estimation and diagnostic of ultrasonic transduc- ers[J]. Acta Physica Polonica A, 2013, 124(3): 468-470.

[4] 金士杰, 安志武, 廉國(guó)選, 等. 光彈法測(cè)量超聲換能器聲場(chǎng)[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2014, 33(2): 107-111.

JIN Shijie, AN Zhiwu, LIAN Guoxuan, et al.Photoelastic quantification of ultrasonic beams radiated by transducers[J]. App- lied Acoustics, 2014, 33(2): 107-111.

[5] CLAYTON L. Fishing with Multiphysics[EB/OL]. www. ansys. com. 2009.

[6] RAHANI E K, KUNDU T. Modeling of transient ultrasonic wave propagation using the distributed point source method[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2011, 58(10): 2213-2221.

[7] MARTINS M, CORREIA V, CABRAL J M, et al. Optimization of piezoelectric ultrasound emitter transducers for underwater communications[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2012, 184(9): 141-148.

[8] 劉雪林, 史湘?zhèn)? 黃興洲, 等. 超聲波測(cè)距聲場(chǎng)的仿真研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2014, 37(5): 101-104.

LIU Xuelin, SHI Xiangwei, HUANG Xingzhou, et al. Simulation research on the sound field of ultrasonic distance measurement[J]. Modern Electronics Technique, 2014, 37(5): 101-104.

[9] LIONETTO F, MONTAGNA F, MAFFEZZOLI A. Ultrasonic transducers for cure monitoring: design, modelling and validation[J]. Measement Science and Technology, 2011, 22(1): 124002.

[10] 張永剛. 聲表面波換能器激勵(lì)的有限元仿真[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2009, 28(5): 678-681.

ZHANG Yonggang. FEM simulation of SAW transducer excitat- ion[J]. Technical Acoustics, 2009, 28(5): 678-681.

[11] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)[M]. 3版. 南京: 南京大學(xué)出版社, 2012.

DU Gonghuan, ZHU Zhemin, GONG Xiufen. Acoustics founda- tion[M]. 3rd edition. Nanjing: Nanjing University Press, 2012.

[12] ZHENG Dandan, FU Xingyi, YANG Zhibin. Research and rea- lisation of reciprocal electronic circuits for gas ultrasonic flow meter[J]. IET Science Measurement & Technology, 2017, 11(5): 666-672.

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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61671317)

孫彥招(1984－), 男, 河南平頂山人, 博士研究生, 研究方向?yàn)槌晸Q能器和超聲流量計(jì)。

張濤, E-mail:zt50@tju.edu.cn