用于超声波燃气表中的换能器研制.pdf

24声学与电子工程总第150期2023年第2期用于超声波燃气表中的换能器研制涂馨予金杭超易向阳（杭州瑞利超声科技有限公司，杭州，3 10 0 2 3）摘要为满足高精度超声波燃气表的性能需要，文章提出一种适用于燃气表中的超声换能器。通过对换能器结构设计，得到较为纯净的厚度振动模态，并在此基础上进行了超声换能器的制作与测试。测试结果表明：换能器在50 0 kHz附近具有较为纯粹的厚度振动形式，在常温常压下其收发灵敏度及信号拖尾情况达到松下换能器水准。关键词超声波燃气表；超声换能器；灵敏度DOI:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.06超声波因适用于不同介质中传播，且在传播过程中具有方向性强、能量大且易于集中的特点，在超声焊接、超声探伤及超声测距等领域均得到重要应用。燃气表是天然气用量的计量工具，超声波燃气表是新型燃气表的代表，具有计量精度高及量程比大等优势2-3 。超声换能器作为超声设备的核心器件，对超声设备的收发性能、温度稳定性及使用寿命具有重要影响。因此，提升超声换能器的灵敏度及改善换能器瞬态特性成为目前的研究关键。本文提出了一种带有声匹配层的超声换能器，可以有效提升换能器的电声转换效率。1换能器结构本文设计的换能器结构如图1所示，主要由压电陶瓷、支撑壳体、减振装置及声匹配层组成。圆片型压电陶瓷元件结构简单且易于加工，利用其厚度振动产生纵向声波发射，是超声换能器驱动元件的常用结构，但圆片型压电陶瓷元件的厚度振动与径向振动的谐振频率因相隔较近，存在振动耦合干扰的问题。为解决耦合振动干扰，有源功能材料采用方形的陶瓷元件，将压电陶瓷进行厚度方向切缝处理，降低压电陶瓷的横向振动频率，使得横向振动模态远离纵向振动模态，从而得到较为纯净的厚度振动。1、四配一2、压电陶瓷4、减装装Y3、外壳5、电极引线图1超声换能器结构空气的声阻抗率为0.0 0 0 4Mrayl，而压电陶瓷的声阻抗率为3 5Mrayl，若声波从压电陶瓷中直接入射到空气中，在压电陶瓷的辐射表面几乎全部反射，引起换能器电声转化效率低的问题。本文通过引入闭孔结构的声匹配层结构可以提高声波的透射率。声匹配层的声阻抗z，满足：22=V2/23(1)式中，z1为压电陶瓷的声阻抗，z3为空气的声阻抗，且声匹配层的厚度满足入/4时（入为声匹配层中声波波长），可实现声波的全透射。此外，声匹配层须满足具有一定的结构强度、可加工性较好和不易变形等特点。目前尚不能找到符合要求的固体材料，因此，我们只能降低声匹配层材料的声阻抗4-5。换能器支撑壳体采用不锈钢材料，其结构强度较大，且耐腐蚀性较强，化学性质较为稳定。不锈钢材料用作支撑壳体材料，可以保障换能器的性能稳定。同时，为了减轻流道内气流引起噪声干扰声信号和密封换能器，我们采用性能稳定的硅橡胶材料制作换能器的外壳。2换能器声透射率若声波经过声匹配层后透射到空气中，则超声波能量透过率为42/23T=（2)(z,+z,)cos2 k,D+(z,+sin?k,DZ式中，z,为换能器的声阻抗，z为声匹配层的声阻抗，z,为空气的声阻抗，D为声匹配层厚度，k,为声匹配层波数4。声匹配层z,的声阻抗为1.2 Mrayl,而换能器与空气的声阻抗乘积z,z，为0.0 14Mrayl。25涂馨予等：用于超声波燃气表中的换能器研制因此，存在z,z，z，当声匹配层厚度D为2/4的奇数倍时，式（2）可以简化为42/23T=(3)222从式（3）中可以看出，超声波能量透过率T和声匹配层声阻抗z成反比，由此可知，匹配层声阻抗越低，声波透射率越高。目前，学者采用硬质泡沫或低密度塑料研制声匹配层，低密度塑料存在声阻抗相对偏高的问题，而泡沫材料通常为开孔结构，长期使用下其可靠性与稳定性较差。因此，本文研制了一款环氧树脂-空心微珠聚合物材料（在聚合物中加入低密度空心微珠材料），经过相关测试，得到材料的性能参数，见表16 。对声匹配层材料进行了电镜分析，如图2 所示。从电镜照片中可以看出，空心玻璃微珠分散均匀，碎裂度较低。表1空心玻璃微珠复合材料参数声阻抗/Mrayl衰减系数/(dBmm)0.001 240.5图2 声匹配层电镜照片3换能器仿真分析3.1压电陶瓷振动模态分析图3 是仿真得到的压电陶瓷阻抗特性曲线。从图中可以看出，在10 0 9 0 0 kHz范围内，压电陶瓷共有两个谐振峰，分别位于2 0 0 kHz和550 kHz处。在2 0 0 kHz处，压电陶瓷的振动模态见图4（a），陶瓷位移最大位置位于陶瓷长边的末端，可以判断此频率下陶瓷振动模态为沿着长边的横向伸缩振动。在550 kHz处，压电陶瓷的振动模态为厚度振动，振动位移见图4（b）。从仿真结果可以看出，通过将压电陶瓷进行切缝处理，可以将横向振动模态与厚度振动模态分隔开来，从而得到较为纯净的厚度振动模态。765Su/告432频率/kHz图3 压电陶瓷阻抗特性仿真曲线(a)200 kHz(b)550kHz图4压电陶瓷振动模态3.2超声换能器阻抗特性图5为超声换能器的有限元模型，换能器的主要部件结构尺寸参数及所用材料见表2。图6 为超声换能器的阻抗特性曲线。从图中可以看出，超声换能器在42 0 kHz和58 0 kHz处共有两个谐振峰，分别对这两个频率处的模态进行分析，如图7 所示。420kHz频率处为压电陶瓷厚度振动，58 0 kHz频率处为匹配层厚度振动所引起的谐振现象。图5超声换能器有限元建模表2 换能器结构尺寸参数及材料部件尺寸/mm材料压电陶瓷7X7X2.4PZT-5金属帽表面直径12合金钢声匹配层直径10空心玻璃微珠复合材料26用于超声换能器研制涂馨予2.252.001.751.50Su/苔1.251.000.750.500.250.00100200300400500600700频率/kHz图6 超声换能器阻抗特性仿真曲线(a)420 kHz(b)580kHz图7 超声换能器振动模态4超声换能器研制与测试从仿真结果可看出，对压电陶瓷进行切缝设计研制的超声换能器具有较为纯粹的厚度振动模态。在上述研究基础上，对超声换能器进行样机研制，样机外型如图8 所示，表层的白色结构为声匹配层，压电陶瓷元件嵌入钢制外壳内部，外围为硅胶材料的减震装置。对换能器进行阻抗特性测试，测试结果见图9。可以看出，换能器存在两个谐振峰，分别为压电陶瓷的43 0 kHz纵振模态和540 kHz的匹配层厚度振动模态，与仿真结果基本吻合。减震装置声匹配层图8 超声换能器样机为测试换能器的声波收发特性，我们研制了一对超声波换能器，并采用TI公司的超声波燃气表专用电路开发板对换能器的收发特性进行测试。如图10所示，将一对换能器固定在测试通道上，并将换能器的引线接入到开发板的相应接口，采用电路开发板配备的GUI操作界面对信号波形及发送间隔等参数进行设置。采用扫频模式，在450 550 kHz之间进行扫频测试，从而获取换能器的接收信号。5电导（ms）电纳（ms）2Su/吉甲Su/申3022-40100200300400500600700频率/kHz图9 换能器阻抗特性测试电路板测试通道一对换能器图10 燃气表测试电路系统扫频显示，换能器在50 0 kHz左右时具有最大的收发信号幅度，因此，将发射脉冲信号频率定为500kHz，信号形式为6 个方波脉冲信号7 。随着系统的运行，在GUI界面上，会呈现出一对换能器接收信号的波形和相对幅度，如图11所示，蓝色波形表示下行超声波，即声波从上游换能器发射，由下游超声换能器接收。红色波形表示上行超声波，其声波传播路径与蓝色波形相反。43下行超声波上行超声波20-1-2-3-40.120.140.160.180.200.22时间/ms图11超声换能器测试结果27涂馨予等：用干超声波灼换能器研制从图11中可以看出，自制两只换能器的波形基本重合，波形包络清晰，相对幅度的峰峰值可达800左右，信号拖尾幅度较小，这可以证明，在常温常压的测试条件下，两只换能器的一致性较好，匹配度较高。通过与松下进口探头进行性能对比，以判定自研换能器的性能是否达到国际指标。图12 所示是一对松下进口探头的测试结果。从图中可以看出，进口超声换能器上行波和下行波的波形基本重合，在同样的电路放大倍数下，电压幅度峰峰值在5V左右，波形包络清晰，包络形状规则，拖尾较小。32上行超声波下行超声波-1-2-30.140.160.180.200.22时间/ms图12 进口超声波探头测试结果测试结果表明，在同样的测试条件下，自制换能器与进口换能器在接收信号幅度上基本相当，波形包络均比较平滑，信号拖尾情况相差不多。图13为自制换能器的频域相应。可以看出，声匹配层结构可以拓宽换能器频带，换能器-6 dB带宽为17 0kHz左右，中心频率为50 0 kHz。因此可以认为，在常温常压的测试环境下，通过对压电陶瓷进行切缝处理，并采用环氧树脂-空心微珠复合材料制作声匹配层可以提升换能器电声转换效率和工作带宽。40208P/0MM-20-400.20.40.60.811.2频率/MHz图13 超声换能器频域相应5结束语本文通过对超声换能器的声匹配层进行了研究设计，得到了声阻抗为0.0 0 12 4MRayl、衰减系数为0.0 5dB/mm、具有优越的空气耦合性能的声匹配层，将压电陶瓷进行切缝处理并配合可靠的结构外型，研制了一种用于超声波燃气表中的超声换能器。换能器共有两个谐振峰，从频谱中可以看出，换能器的带宽得到了有效提升。换能器中心工作频率为50 0 kHz左右，为收发两用型换能器。在常温常压下与进口超声换能器进行性能对比后可知，研制的超声换能器在信号幅度、信号包络及信号拖尾等指标上均与进口超声换能器性能相当。本文提供了超声换能器仿真分析、研究思路及研究历程，具有重要的工程应用价值，后续将进一步对换能器在高温（55）及低温（-2 5）范围内进行温度稳定性测试，以验证换能器在工程应用上的稳定性。参考文献：1顾勇,徐立,贾本红,等.超声技术的应用现状及其发展趋势分析J.产业与科技论坛,2 0 2 2,2 1(10):48-49.2王磊阳,陈建峰,刘明祥,等。一种高精度时差法超声波水表的设计与实现J.传感技术学报,2 0 19,3 2(0 8):117 5-118 1+1193.3李萌,李跃忠,曾令源,等低功耗超声波燃气表设计.电子测试,2 0 2 0(0 7):3 9-42.4韩德龙,陈青松,冯红亮一种超声波流量换能器的设计J.遥测遥控,2 0 19,40(0 3):52-57.5赵顺刚.气介超声换能器声匹配的应用.自动化仪表,19 9 5(12):2 1-2 4+45.6李佩鲜,郑妍,于晓燕,等.空心玻璃微珠改性环氧树脂的制备及其性能研究.胶体与聚合物,2 0 2 0,3 8(0 1):3-6.7王晓光.厚度方式压电换能器瞬态响应分析.声学学报,19 8 0(0 2):118-12 5.