[发明专利]一种辅助压电超声换能器设计的等效电路模型

说明书

本发明涉及一种辅助压电超声换能器设计的等效电路模型，此等效电路包含五个有源器件，分别是：两个受控电流源Fsubgt;1/subgt;、Fsubgt;2/subgt;，一个受控电压源Esubgt;1/subgt;以及两个用作电流表的独立电压源Vsubgt;1/subgt;、Vsubgt;2/subgt;，等效电路为两个部分，分别是诺顿等效电路和积分电路，其中：诺顿等效电路由Fsubgt;1/subgt;与电容Csubgt;0/subgt;并联构成，该诺顿等效电路一端接地，另一端串联电压源Vsubgt;2/subgt;后再与匹配电阻并联，随后接外部激励信号；积分电路由Fsubgt;2/subgt;与电容Csubgt;1/subgt;并联构成，Fsubgt;2/subgt;对Csubgt;1/subgt;进行充电，实现积分作用，该积分电路一端接地，另一端空置，为防止悬浮节点产生，需要在该端口与地之间串联一较大阻值的匹配电阻；从压电振子的“无损传输线”部分中引出连接线，依次经过Vsubgt;1/subgt;和Esubgt;1/subgt;后接地。

技术领域

本发明属于检测技术领域。

背景技术

随着声学技术的发展，超声技术被越来越广泛的应用于无损探伤、医学成像、固体厚度检测等诸多领域，压电超声换能器因为具有广阔的应用前景而备受关注。目前主要是基于有限元模型和等效电路模型来进行压电超声换能器的设计。有限元模型利用COMSOL等仿真软件通过数学近似的方法得到模型的解，虽然具有精度高、应用范围广的优点，但需要占用大量的计算资源，计算周期也很长，并且很难进行优化。相比之下，等效电路模型法具有更快的计算速度，模拟精度也更加容易提高。目前应用较多的是Mason模型和KLM模型，但这两种模型中都使用了一个变压器来进行模型中电学部分和声学部分的耦合，会在某些情况下导致回路中出现不可实现的阻抗元件如负电容等，对等效回路类型的选择也不甚灵活。Leach提出的等效电路模型虽然避免了上述问题，但是该模型不包括换能器中的物理结构比如银电极层、背衬等，事实上这些结构对于压电超声换能器的性能有很大影响，因此本发明申请人认为有必要提出一种新的模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电超声换能器的新的等效电路模型，用于辅助压电超声换能器的设计工作。技术方案如下：

一种辅助压电超声换能器设计的等效电路模型，按从换能器后端至前端的顺序依次包含背衬、银电极、压电振子、银电极模块，利用“无损传输线”来模拟压电振子中声波的传播，利用“有损传输线”来模拟背衬和银电极中声波的传播，其中，压电振子是一个实现电信号与声信号相互转换的模块，除了需要模拟声波传播的过程之外，还需要通过等效电路实现声学与电学部分的耦合。此等效电路包含五个有源器件，分别是：两个受控电流源F₁、F₂，一个受控电压源E₁以及两个用作电流表的独立电压源V₁、V₂，等效电路为两个部分，分别是诺顿等效电路和积分电路，其中：

诺顿等效电路由F₁与电容C₀并联构成，该诺顿等效电路一端接地，另一端串联电压源V₂后再与匹配电阻并联，随后接外部激励信号；

积分电路由F₂与电容C₁并联构成，F₂对C₁进行充电，实现积分作用，该积分电路一端接地，另一端空置，为防止悬浮节点产生，需要在该端口与地之间串联一较大阻值的匹配电阻；

从压电振子的“无损传输线”部分中引出连接线，依次经过V₁和E₁后接地。

附图说明

图1压电超声换能器模型

图2厚度振动换能器结构示意图

图3压电换能器受控源等效电路

图4不同模型下脉冲回波信号傅里叶变换结果