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材料参数对超声波换能器性能的影响

来源： | 发布日期：2022-09-29

钹式换能器由金属材料和压电材料复合而成，材料的选择对换能器的性能至关重要,利用有限元分析，可以掌握材料属性对换能器性能的影响规律。

压电材料是压电换能器的能量转换单元，它在一定程度上决定了钹式换能器性能的优劣。在水声换能器中，普遍使用的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT)其居里点在300℃ 以上，温度稳定范围大。PZT材料主要有三个品种，即 PZT-4、 PZT-5A和PZT-8。其材料参数见表5.4。

在ANSYS中分别采用这三种材料建立有限元模型，计算得到钹式换能器等效申导纳幅值|Y|、发射响应TVR和接收灵敏度FFVS如图5.16~图5.18所示。根据计算结果，得到各种压电材料对性能参数的影响见表5.5。

图 5.16 PZT材料对Y的影响

5.17-18

各参数符号与表5.3相同。根据材料参数和上述计算结果，可以看出:采用 PZT-8共振频率最高,介电常数、机电耦合系数、压电常数比PZT-4稍低，然而抗张强度和稳定性均优于PZT-4,并具有高机械品质因数,所以适用于高机械振幅的激励。PZT-4具有较低机械损耗和介电损耗、大的交流退极化场,并具有较大的介电常数、机电耦合系数和压电常数,特别适合于强电场、大机械振幅的激励，常用作发射换能器。PZT-5A共振频率最低,兼有高耦合系数和高压电应变常数,各机电参数具有优异的时间和温度稳定性，对低功率共振和非共振使用都很适合,常用作接收换能器。

表 5.5 PZT材料对钹式换能器性能的影响