Hình 2.39. Mô hình 3D bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin (Ultrasonic transducer)
Các tấm áp điện PZT có đặc tính là không có khả năng chịu kéo. Việc sử dụng bu lông kẹp sẽ tạo biến dạng nén dư ban đầu. Khi có điện áp thay đổi tác dụng lên các tấm PZT, hiệu ứng áp điện sẽ làm tăng hoặc giảm biến dạng nén. Phương án chế tạo bộ tạo rung siêu âm sử dụng các tấm áp điện dạng đục lỗ là thông dụng nhất, cho kết phép tạo cấu nhỏ gọn và thuận tiện cho việc khai thác nhất.
2.5.2.3. Cơ sở thiết kế bộ chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin
Phần lớn các bộ phát rung siêu âm ngày nay vẫn dựa vào mô hình của Langevin năm 1918. Các loại đầu phát rung được giới hạn về kích thước để tránh sự xáo trộn giữa các mode dao động dọc trục và hướng kính. Do vậy, đường kính các mặt cắt ngang cần nhỏ hơn ¼ chiều dài bước sóng của mode rung dọc trục.
Theo phân tích của Langevin, trong biến tử bức xạ siêu âm nửa bước sóng, biên độ nén đạt giá trị cực đại ở tâm, hai đầu hoạt động hầu như giống với ở bên trong khối, do đó hai phần đầu này có thể được thay thế bằng các kim loại, bởi vì nó rẻ tiền hơn mà lại có hệ số phẩm chất cơ học lớn hơn. Với cấu trúc này, tần số làm
việc của hệ biến tử không phụ thuộc vào đường kính bản áp điện, mà chỉ phụ thuộc vào chiều dày của toàn cụm biến tử. Chính vì vậy, để thay đổi tần số của cụm biến tử theo mong muốn, chỉ cần thay đổi chiều dài của hai bản kim loại mà không cần thay đổi chiều dày của bản gốm.
Một đầu tạo rung kiểu Langevin thường được thiết kế chứa một số tấm vật liệu gốm áp điện đặt xen nối tiếp với các lá điện cực (chiều dày LP) và hai tấm kẹp. Tấm kẹp sau thường làm bằng thép, chiều dài LM. Tấm kẹp trước thường làm bằng vật liệu nhôm hoặc hợp kim titan với tốc độ truyền âm lớn, chiều dài LB. Sơ đồ hóa cấu tạo của đầu rung kiểu Langevin này được mô tả như hình 2.40.