X EC (MV/m) Pr(C/m2) 4 1,097 0,
5.1.1.Biến tử ghép
GỐM PZT-PMnN VÀ ỨNG DỤNG
5.1.1.Biến tử ghép
Những ứng dụng thường gặp nhất của siêu âm cường độ lớn yêu cầu biến tử phát siêu âm nửa sóng với tần số cộng hưởng nằm trong khoảng từ 20kHz và 45kHz. Vì vận tốc truyền sãng âm trong gốm là khoảng 3200m/s, nên chiều dài theo phương truyền sóng chính trong các gốm như PZT4 phải trong khoảng từ 9cm đến 3,5cm. Hơn nữa, theo yêu cầu của công suất phát, bề mặt của biến tử cũng cần phải lớn. Kết quả là việc chế tạo các mẫu gốm đơn phiến gặp rất nhiều khó khăn. Và các khối như vậy nhất định sẽ liên quan tới tổn hao, do toàn bộ biến tử sẽ tiêu hao năng lượng ở mức tỷ lệ nghịch với hệ số phẩm chất cơ học Qm mà nói chung là Qm trong gốm nhỏ hơn so với kim loạị
(a) (b)
Trong biến tử ph¸t siêu âm nửa sóng, biên độ nén đạt tới cực đại ở giữa, 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, dễ gia cơng mà lại có hệ số phẩm chất cơ học lớn hơn. Khối kim loại phía sau có trở kháng âm học lớn, đóng vai trị như một phiến phản xạ. Khối kim loại phía trước có trở kháng âm học nhỏ, đóng vai trị “ống dẫn sóng” (hình 5.1). Vì vậy năng lượng siêu âm được phát ra với hiệu suất cao nhất.
Khi ghép biến tử áp điện với kim loại như vậy, hệ số phẩm chất cơ học Qm0 (ở điều kiện không tải) của biến tử ghép cao hơn so với biến tử đơn phiến. Thêm nữa, nhờ độ dẫn nhiệt tốt của các miếng kim loại hai đầu, nhiệt độ làm việc của linh kiện gốm sẽ thấp hơn. Do đó hiệu suất âm - điện toàn phần sẽ cao hơn.
Lý do khác làm cho hiệu suất của biến tử ghép cao hơn là hệ số liên kết áp điện hiệu dụng keff là không bị giảm đi nhiều so với biến tử đơn khốị
Một số vấn đề liên quan đến biến tử ghép Langevin gồm có:
- Tổ hợp thép - PZT - ma-giê là tốt nhất; tổ hợp thép - PZT - nhôm (đuya-ra) rẻ tiền hơn nhưng cũng tốt dù có kém tổ hợp trên. Đầu nối nhơm (và ma-giª) có thể được cải tiến bằng cách khoan lỗ hoặc xẻ những cái khe trên đó.
- Tốc độ âm thanh trên PZT là tương đối thấp. Vậy nên tỷ số giữa đường kính với 1/4 bước sóng đạt giá trị bằng đơn vị ở tần số 40 đến 50kHz đối với đĩa hoặc xuyến PZT. Ta có thể tính trước được tốc độ âm thanh trong gốm bằng cách lấy 2 lần giá trị hệ số tần số Np.
- Khi đường kính của bộ cộng hưởng nửa sóng có thể so sánh được với bước sóng, có thể xảy ra cộng hưởng một phía hoặc cộng hưởng theo đường kính với tần số gần bằng hay nhỏ hơn tần số cộng hưởng cơ bản của cộng hưởng theo chiều dày (tuỳ theo tỷ số giữa đường kính chia cho chiều dày). Do đó, đối với kiểu biến tử này ở dạng đĩa, nên chọn đường kính của đĩa D sao cho D < λ/2.
Tải sẽ cộng thêm vào biến tử phát siêu âm một khối lượng hiệu dụng phụ, đã gây ra một sai lệch đáng kể cần được bổ chính khi thiết kế mạch. Ví dụ trong trường hợp cặp biến tử hình xuyến PZT dày 6,35mm và đường kính D = 38,1mm, với phần
đầu nối bằng ma-giª hay nhơm có đường kính D1 lớn hơn chút ít, tần số làm việc tối thiểu là 20kHz. Tần số tối thiểu như vậy sẽ cũng được tính từ việc xét đến hệ số ghép. Với tần số thấp hơn 20kHz, hệ số ghép hiệu dụng có thể được cải thiện nhờ việc dùng nhiều hơn một cặp biến tử hình xuyến.