圆环型稀土超磁致伸缩超声频换能器_贺西平

Study of Rare Earth Super Megetostrictive Cirque Ultrasonic Transducers
HE Xi ping, HU Jing
( A pplied A cou st ics Inst it ut es , S haanxi N ormal U niversit y, X i can 710062 Ch ina)
图2
稀土换能器基频振型
4
结论
a. 用稀土超磁致伸缩材料来研制大功率换能
器是可行的 , 与同频率压电陶瓷换能器相比较, 尺寸 小 ; 在换能器的激励线圈外面, 加上高导磁率闭合圆 桶 , 有利于换能器耦合系数的提高, 原因是减少漏磁
图3 稀土换能器的导纳曲线
耗损。 b. 稀土超磁致伸缩材料既导磁又导电, 高频工 作时其涡流损耗会增大。本文用的稀土棒为分片切 割后粘结 , 限于技术和成 本等原因, 每片厚 1 mm 。 以后若每片能再切割得更薄些, 无疑能减小涡流损 耗 , 提高换能器效率。 参考文献:
Байду номын сангаас
根据文献[ 5] 可算出我们感兴趣的换能器电流 发射响应、 频带宽度、 指向性等表征换能器性能的其 他各参量。 为实验测得换能器的阻抗及幅角曲线如图 4 所 示。图 4( a) 、 ( b) 的谐振频率分别为 24. 6 kH z 和 25. 9 kH z。 由图可看出 , 图 4( b) 的耦合系数要比图 4( a) 好, 这与文献 [ 6] 中论述相仿。测得线圈外加有 闭合高导磁率圆桶时 , 换能器的导纳圆如图 5 所示。
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压
电
与
声
光
2006 年
数, 用有限元数值 计算方法算得 谐振频率为 23. 2 kH z, 振型如图 2 所示。由计算得到的导纳曲线图 ( 见图 3) 中也可看出谐振基频。计算中没有考虑环 绕稀土棒的激励线圈。
3
与同频率压电陶瓷换能器尺寸比较
图 1 所示的换能器总长为 33 mm 。假设用两
图4
稀土换能器的阻抗及幅角实验测量曲线
图5
稀土换能器的导纳圆图
稀土超磁致伸缩材料 ( RE - GM M) 又称铽镝铁 合金 , 也称 T erfenol D, 是一种新型的磁致伸缩有源 材料。因其能量密度是压电陶瓷的 10~ 14 倍 , 应变 值是压电陶瓷 的 5~ 8 倍, 而声 速只有压电陶 瓷的 1/ 3, 因此用该材料研制的换 能器功率大, 体积小。 自从该材料问世并商品生产化以来 , 常被用来制作 低频大功率水声稀土换能器 , 用它制作超声频换 能器在国外网站上见到过报道 , 国内则还很少见到 这方面的资料和文献报道。本文介绍了用国产 RE GM M 棒材研制的超声频稀土换能器。
第 28 卷 第 5 期 2006 年 10 月
压
电
与
声
光
Vo l. 28 No . 5 Oct. 2006
PI EZO EL ECT ECT RI CS & ACO U ST OO PT ICS
文章编号 : 1004 - 2474( 2006) 05 -0541 - 02
圆环型稀土超磁致伸缩超声频换能器
贺西平, 胡 静
( 陕西师范大学 应用声学研究所 , 陕西 西安 710062)
摘 要 : 用有限元数值方法计算并研制了稀 土超磁致 伸缩圆 环型超 声频换 能器。研究 表明 , 可用既 导磁又 导 电的 稀土超磁致伸缩材料研制大功率换能器 ; 在换能器的 激励线圈外面 , 加上高导 磁率闭合圆 桶 , 有 利于换能器 耦 合系数的提高 ; 与频率为 25. 9 kH z 的压电陶瓷换能器相比 , 尺寸减小了 1/ 3 。实验测试与理论计算基本相符。 关键词 : 超磁致伸缩材料 ; 超声频 ; 换能器 ; 有限元方法 中图分类号 : T B565 文献标识码 : A
[ 1] M OF FET T M B, CL A RK A E, M A RIL YN W F , et al. Character ization of T erfenol D for magnetostr ictiv e transducers[ J] . J Acoust So c A m, 1991, 89( 3) : 1 448 1 455. [ 2] [ 3] 朱厚卿 . 稀土 超磁 致伸 缩 材料 的 应用 [ J] . 应 用 声学 , 1998, 19( 5) : 3 - 10. 贺西平 , 李斌 , 周寿增 . 稀土 超磁致 伸缩 材料及 其高 效 应用方法 [ J] . 兵 器材 料科 学与 工程 , 1998, 21 ( 3) : 61 64. [ 4] CL AEY SSEN E, BO SSU T R. M o deling and charac terization o f the mag net ostrict ive coupling [ A ] . I n: P ow er T ransducers fo r Sonics and U ltr asonics [ C ] . Spring er - V erlag: [ 5] [ 6] Pro ceedings o f the Internatio nal W ordshop Hesd in T oulo n, 1990. 莫喜平 , 朱厚卿 , 刘建国 , 等 . T erfenol D 超磁 致伸缩 换 能器的有限元模拟 [ J] . 应用声学 , 2000, 19( 4) : 5 - 8. 夏铁坚 , 周利生 , 范进良 , 等 , 一种大功率稀土纵向振 动 换能器的研究 [ J] . 声学技术 , 2003, 22( 1) : 22 - 25.
[1 - 3]
2
理论计算及实验测试
应用压磁 - 压电比拟法 , 可写出磁致伸缩机电耦 合的有限元方程: [ M] [ 0] [ 0] [ 0] [K] [K m]
T
[& u] + [Km] [ K L]
[ C] [ 0] [ u]
[ 0] [ 0] =
[ u] [ AH ] [F] [ 5]
+
[AH]
Abstract: Rar e ea rth super megeto strict ive cirque ultrasonic t ransducer s are calculated and manufactured by using finite element method in this paper . T he results show , it is feasible to manufacture hig h pow er transducer w ith the mag net ic and electr ic rar e ear th super meg et ostrict ive. It is propit ious t o enhance co upling factor by mo unting a high permeability clo sed bar rel outside o f the ex citing turn. T he dimension is reduced to one third com par ing with the piezoelect ric ceramics t ransducer resonance at 25. 9 kH z. R easo nable ag reement betw een the ex perimental results and the theo retical calcultio n results is achieved. Key words: super megeto strictive materica l; ultrasonic fr equency; transducer; finite element method
将广义位移矢量取作结构位移矢量 [ u] 与长度 为 L 的 稀 土 棒 的 激 磁 安 匝 数 的 组 合, 其 中 A H = H Ï d» l= N Q
L m
1
稀土换能器结构
I ; 广义质 量矩阵和广义 阻尼矩阵以
本文研究的圆环型结构稀土换能器结构如图 1 所示。
零矩阵 [ 0] 扩充; 磁致伸缩耦合项出现在广义刚度矩 阵中, [ K ] 是机械结构刚度矩阵 , [ K L ] 是磁导率矩 阵 , 它由材料的磁导率矩阵[ L ] 及单元插值函数决 定 ; [ K m ] 是磁致伸缩耦合矩阵, 由稀土材料的压磁
s
系数矩阵 [ B] 和单元的插值函数决定。广义力矢量 取作结构力矢量[ F] 和穿过稀土棒截面积为 R 的磁 通量组成, 其中 5H =
图1 圆环型超声频稀土换能器
B Å d» s Q
R
稀土材料具有各向异性, 但要获得实际条件下 的各刚度系数确非易事。这里参考文献 [ 4] 中的参
收稿日期 : 2005 -03 -10 作者简介 : 贺西平 ( 1965 - ) , 男 , 江西永新人 , 教授 , 博士后 , 研究方向为超声工程、 水声换能器系统的理论与设计、 声信号处理。
尺寸为 ù 30 mm , 总厚度为 10 mm 的压电陶瓷片来 代替文中的 ù 30 m m, 长度为 10 m m 的稀土棒, 上 下导磁体的尺寸保持不变 , 且保持上下盖板厚度均 匀对称 , 算得谐振频率为 25. 9 kH z 时 , 换能器的总 长应为 43 m m, 比稀土换能器长度增长 1/ 3。 因此, 稀土换能 器不但振幅大 , 承受的 电功率 大 , 相对于同频率的压电陶瓷换能器来说 , 有利于小 型化设计。 在本文研制的圆环型换能器的上下盖板分别加 装前辐射头和后质量块 , 很容易构成复合棒型纵振 换能器。