Multi-mode coupled vibration analysis and radiation sound field investigation of a novel multidirectional piezoelectric ultrasonic transducer

声学 传感器 超声波传感器 振动 辐射阻抗 压电 有限元法 声辐射 声阻抗 材料科学 辐射 光学 物理 工程类 结构工程
作者
Cheng Chen,Jianzhong Guo,Shuyu Lin
出处
期刊:Ultrasonics [Elsevier BV]
卷期号:138: 107248-107248 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ultras.2024.107248
摘要

Nowadays, expanding the operating range and realizing multifrequency operation have emerged as focal and imperative objectives in the design of ultrasonic transducers. Due to the limitations of structure and radial sizes, conventional Langevin transducers encounter challenges in meeting the increasingly stringent requirements across diverse ultrasonic applications. Hence, this paper proposes a multidirectional piezoelectric ultrasonic transducer (MPUT) consisting of a large-dimension sandwich piezoelectric transducer (LSPT) and a metal tube in mutli-mode coupled vibration, capable of achieving wide-ranging and multifrequency acoustic radiation. Based on the analytical method, a two-dimensional electromechanical equivalent circuit model (2D-EECM) of the MPUT is established, and its frequency calculation results are validated through the finite element method (FEM) and impedance analysis experiment. The vibration testing results indicate that adjusting the radial size can control the coupled vibration intensity of the MPUT and achieve dual-frequency and multidirectional uniform radiation. The radiation sound field testing results confirm the MPUT's satisfactory three-dimensional radiation capability in water and significant improvement in acoustics operating range.
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