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磁致伸缩换能器的结构形式和特点(一)
来源: | 发布日期:2022-11-01

(1)窗式换能器

①结构形式。窗式磁致伸缩换能器是由薄片磁致伸缩金属材料(例如镣、铁钻合金、铝铁合金等)经冲孔成型,氧化绝缘、叠集成块、退火等工艺制成的。由于它是由许多薄片叠集而成,叠片上有孔,形似窗孔,所以被称为窗式换能器。其基本结构形式如图4-6所示,图中4-6(b)和4-6 (c)是双窗式和三窗式结构,它们可以分别看成是由图4-6 (a)所示的两个或三个单窗式组成。


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这种换能器的特点是从两端面辐射超声波。通常釆用的叠片厚度为0.1〜0.3mm。由于金属材料的电阻率低,因此片与片之间需要氧化绝缘,以减少涡流损耗。叠片上有孔,在叠片中形成闭合磁回路,漏磁少,并有利于散热。随选用的叠片多少,可以获得不同的辐射面积。通常,辐射面的形状采用正方形。


单窗式换能器一般用于中、小功率(数十瓦至一千瓦左右)的超声设备上。双窗式和多窗式换能器,由于辐射面积增大,同时窗孔增多,改善了冷却条件,减少了横振动,输入电功率可以增加,可用于大功率超声设备上。

 

②换能器的共振频率公式及结构参数的选取。对于图4-7 (a)所示单窗式换能器,由于其形状的对称性,在计算共振频率时,通常只考虑组成换能器的一个侧肢[图4-7 (b)] 即可。


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在对称盖板的情况下,分析带对称盖板的一根棒[图4-7 (b)]的波动方程式,在两端自由,中间作为位移节点的条件下,得到下面的共振方程式


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式中,a为盖板高度;2b为振动棒长度;q为面积系数,q = S1/S2=l1/l2,k为波数,k=ω/c;ω为圆频率,ω=2πf0;f0为换能器共振频率;c为换能器材料的声速。根据参数a、b、q利用式(4-7)求岀k值,然后根据k=2πf0/c求出f0,也可以利用下面的公式直接计算出窗形磁致伸缩换能器共振频率 f0


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换能器的结构参数取决于许多因素,可以按下述方法考虑选取。


盖板高度a:根据换能器的工作情况,把盖板看作振动棒的负载,最好不产生磁致伸缩,或使产生的磁致伸缩尽可能小。因此,其高度应适当选择,a过大,使振动棒的长度减短,从而会使辐射面的振幅减小;a过小,盖板中磁感应强度增高,能量损耗加大。a的最小高度受磁饱和的限制。一般选取a不小于换能器振动棒的宽度l1。此外,为了减少应力集中,在盖板与振动棒连接处采用圆弧过渡。


窗宽W:换能器窗孔的用途是绕线,并使磁力线在换能器叠块中形成闭合磁回路,此外,还可以改善换能器的冷却条件。W过小,漏磁增加,并且绕线困难,散热情况变坏;W过大,易引起盖板产生弯曲振动,换能器Q值降低,影响辐射效率。一般取W = 0.8〜1.5cm。对于小功率换能器,W还可以取小一些,可取W≥ l1


面积系数q:面积系数取决于换能器的工作性能及窗宽,取值通常为q=0. 5〜0. 7。


辐射面积的选取:辐射面形状一般取正方形,其线度尺寸应小于λ0/2 (λ0是在给定工作频率下,换能器材料中的声波波长),否则会产生横向振动,并会使辐射面振动分布不均,造成效率降低。如果需要辐射面积大时,可釆用多窗式结构。


在工作频率给定,盖板高度a和面积系数q选定之后,利用公式(4-7)可以求出振动棒长度2b。


用公式(4-1)求出的换能器共振频率与实际测量值较为接近,其误差小于1.5%。 这样的误差值对于超声设备设计来说并无大的影响。



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