Để nâng cao công suất phát của biến tử, trong phần nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo biến tử ghép còn được gọi là gọi là "biến tử phát siêu âm mật độ cao". Loại biến tử này thích hợp cho những ứng dụng siêu âm công suất. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng của siêu âm mật độ cao yêu cầu biến tử bức xạ nửa bước sóng với tần số cộng hưởng nằm trong khoảng giữa 18 kHz và 45 kHz. Do đó, chiều dài theo
phương truyền sóng chính trong các hệ gốm như PZT phải nằm trong khoảng từ 3.5 cm đến 9 cm và vận tốc truyền âm trong gốm là khoảng 3300 m/s. Hơn nữa, theo yêu cầu của công suất phát xạ, bề mặt của biến tử cũng cần phải có diện tích lớn. Kết quả là việc chế tạo biến tử gặp rất nhiều khó khăn. Trong biến tử bức xạ siêu âm nửa bước sóng, biên độ nén đạt tới 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, nó chỉ phụ thuộc vào chiều dày của toàn hệ biến tử.
Các thông số của biến tử Langevin kép làm việc tại tần số
và phát theo phương chiều dày, được xác định bởi phương trình sau: (2.10) trong đó:
- l1, l2, lc là chiều dày của các bản kim loại và của bản gốm áp điện. - là vận tốc truyền âm trong các bản kim loại và của bản gốm. - A1, A2, Ac là tiết diện ngang của các bản kim loại và của bản gốm. - ρ1,ρ2,ρclà khối lượng riêng của các kim loại và của bản gốm.
Hình 2.24.Biến tử Langevin kép
Đối với nhôm và thép, giá trị của khối lượng riêng và vận tốc âm được trình bày ở bảng 2.6.
Bảng 2.6. Khối lượng riêng và vận tốc âm của vật liệu
Giá trị vật liệu Nhôm Thép
Khối lượng riêng (g/cm3) 2.77 7.84
Vận tốc âm (m/s) 6400 5750
Để chế tạo biến tử xuyến, chúng tôi đã sử dụng khuôn có đường kính ngoài
Φngoài = 50 mm, đường kính trong Φtrong = 11mm để định hình cho biến tử, với áp lực ép là 3000 . Các mẫu được nung thiêu kết ở 850 trong thời gian 5h với tốc độ gia nhiệt là .
Mẫu gốm sau khi nung thiêu kết có màu đen, độ ngót tương đối của mẫu là
Hình 2.25 là ảnh của biến tử và chế tạo được.
Hình 2.25. Biến tử áp điện sau khi được chế tạo
Thông số hình học của các mẫu được cho ở bảng 2.8.
Bảng 2.7. Thông số hình học của các biến tử
Mẫu Đường kính ngoài (mm) Đường kính trong (mm) Chiều dày (mm) 42 12 6.5 42 12 6.5
Khảo sát phổ cộng hưởng của các biến tử trên hệ HIOKI 3532 LCR (Khoa Vật lý, Đại học Khoa học - Đại học Huế), chúng tôi thu được giá trị tần số
cộng hưởng, , phản cộng hưởng, , ứng với các giá trị của tổng trở, và , bậc nhảy của trở kháng (bảng 2.9).
Hình 2.26. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) mẫu , (b) mẫu
Bảng 2.8. Các đặc trưng cộng hưởng của mẫu và
Mẫu
43.1 46.6 15 94801 6320
43 47 14 93799 6699
Nhìn chung các giá trị từ phổ cộng hưởng của hai mẫu tương đương nhau và đáp ứng tốt yêu cầu của biến tử siêu âm.