http://www.cyberlogic.org/cn/model_sample_trasducer_design1.html
引言
本教程介紹如何使用Wave2000 Plus仿真二維壓電超聲波傳感器（換能器）的例子。本教程中使用的一個典型的模型如下圖所示。爲了你的方便，本教程中討論的所有模型可以下載，點擊這裏訪問下載網頁，請下載Download the tutorial model files下的兩個文件。下載完成後，解壓下載的文件，並複製模型的數據文件至Wave2000 Plus的"Data"文件夾中。如果你的電腦上還沒安裝Wave2000 Plus，點擊這裏瞭解如何下載及安裝所需軟件（使用免費評估許可證）。本文末尾有運行Wave2000 Plus仿真模型的一些技巧。對於不熟悉Wave2000或Wave2000 Plus的讀者，請先閱讀用戶指南中的相關介紹。
在所有教程（1）的模型中，有兩個相同的壓電傳感器工作於透射傳輸模式。一個在頂部的傳感器是信號源，一個在底部的傳感器是接收器。水填充在兩個傳感器之間的空間。傳感器有三個組成部分：PZT-5A的壓電層（2毫米厚×20毫米寬），背襯層（20毫米厚×20毫米寬），和一個匹配層（1毫米厚×20毫米寬）。背襯層的材料具有和壓電層大約相同的縱向聲阻抗，但具有很高的阻尼係數。匹配層是由縱向聲阻抗介於水和壓電層之間的材料所制，以提高耦合效率和修改所發送的超聲波的形狀，以及接收到的電（電壓）信號的形狀。在模型中，假設三個層（即，背襯層與壓電層，壓電層與匹配層）之間有完美的聲耦合。 還假定，三個層與剛性外殼粘合，從而左右二側沒有位移。在Wave2000 Plus中，釆用平面應變假設。這就要求仿真的傳感器的幾何形狀具有如下特徵，垂直於屏幕（深度）的尺寸比其高度和寬度大很多。實踐中，如果深度尺寸爲寬度和高度尺寸約5倍以上，該模型將提供合理的近似。請注意，由於對稱的幾何形狀和邊界條件，只要仿真傳感器模型的一半（上圖右）。從垂直中線切去右半模型，然後在原中線加上無水平位移的邊界條件。與完整模型比較，這種對稱的利用能減少近1/2的存儲器和1/2的計算時間。（對於Wave3000 Plus的3D模型而言，在兩個方向的減半，節省的內存和計算時間能超過70％。）
本例仿真的瞬時快照如下圖所示（爲便於顯示，圖像逆時針旋轉了90度）。
可以看出，壓電層產生的波動通過匹配層、水和接收器的匹配層的傳播，然後由接收器的壓電層接收。在上述所示的例子中，輸入電信號是一個1伏的脈衝，持續時間0.1微秒。Wave2000 Plus的接收器輸出記錄有一個60dB的增益。由於Wave2000 Plus是一個線性系統，按比例增加信號源的輸入信號並減少接收器的增益將獲得相同的結果。
背襯層，匹配層和輸入脈衝寬度的形狀對接收到的電信號的影響，將用Wave2000 Plus仿真模型來演示。請注意，在仿真模型中的接收到的電壓信號都是在壓電層開路條件下測量得到。如果需要，也可以使用壓電層短路條件進行電流測量。
背襯層的影響
這裏，用仿真模型研究傳感器有背襯層和沒有背襯層的差別。衆所周知，背襯材料對傳感器的阻尼特性有很大的影響。使用與壓電元件阻抗接近，但具有相對高衰減量的背襯材料能產生高效的阻尼。有高效阻尼的傳感器能提供更寬的帶寬（更短的時間跨度）。本例的背襯層的縱向聲阻抗與壓電體層大約相同，但有高衰減：d(alpha)/df=15dB/cm/MHz的材料製成。背襯層的材料性能（或模型中的任何材料）是可以改變的。使用菜單命令"Wave->Material Propety"。爲了演示背襯層的效果，模擬了沒有背襯層（No backing）（即，背襯的空間充滿着乾燥空氣）和有用阻尼材料做的背襯層（Backing）模型。這兩個模型的接收器輸出信號如下圖所示：
匹配層的影響
在傳感器設計中，壓電層厚度通常被切削成所需波長的1/2。爲了儘可能利用傳感器的能量，通常在所述壓電元件的前部放置一個阻抗匹配層。匹配層的厚度是所需波長的1/4時，可實現最優阻抗匹配。這樣的設計使波在匹配層內反射後，當波離開該層時其相位與後續波一致。對於醫療用傳感器，匹配層的聲阻抗是介於壓電層和水之間（名義上等於壓電元件的聲阻抗和水介質的聲阻抗的乘積的平方根）。下面的兩張圖分別顯示傳感器無匹配層（No matching）與有一個1/4波長匹配層（1/4 matching）及一個1/2波長的匹配層（1/2 matching）的輸出電信號的比較。
脈衝寬度的影響
除了背襯層和匹配層之外，輸入電信號的持續時間的變化也將影響輸出信號的形狀。在上述所有的模型中，一個0.1微秒脈衝被施加到信號源傳感器。爲研究脈衝持續時間的影響，仿真了輸入信號持續時間爲1微秒脈衝的模型，並與0.1微秒輸入脈衝的結果比較（參見下圖）。
運行Wave2000 Plus仿真模型的一些技巧
爲了增加高頻信號的數值解精度，用戶可以選擇較高的網格分辨率。要更改模型的分辨率，使用菜單命令"Wave->Job Parameters"設置Point/Cycle參數。一個較大的數字意味着較高的分辨率。爲了確保模型提供了一個準確的結果，用戶可以嘗試一些不同的分辨率。當提高分辨率後結果不改變或變化不大時，可以認爲仿真結果已收斂。 （2）一些參數的改變可能使模型變得不穩定。在多數情況下，減少仿真的時間步長，可以使一個不穩定的模型穩定。要更改時間步長，使用菜單命令"Wave->Job Parameters"設置"Time Step Scale"參數。數值越小，意味着時間步長越小。一般情況下，從1開始逐步減小時間步長，例如從1至0.9，0.9至0.8。能使仿真保持穩定的最大值，是最佳的參數值。例如0.8和0.7均能使仿真穩定，那麼用0.8。（3）要顯示接收器的電勢（電壓）輸出，仿真模型運行後，使用菜單命令"Tools->Receiver Plot"，然後點擊"Disable All"按鈕。單擊"Next"，直到"R-Potential(E)"出現，取消"Disable"勾選，然後單擊"Apply"。要保存接收器電勢輸出到一個文件以便進行後續處理，在運行模型之前，使用菜單命令"Wave->Electrode Configuration"，單擊"Next"，直到"R-Potential" 的名稱顯示，點擊勾選"Save to File"，並選擇要保存的文件名，然後單擊"Apply"，點擊"OK"關閉對話頁。 （4）要改變脈衝寬度，使用菜單命
令"Wave->Electrode Pair Configuration"，選擇"Source"，點擊"A-Given Potential"行右邊的"Detail"鍵，設置所需的脈衝持續時間（Duration），單擊"OK"，然後"Apply"和"OK"。
下篇：超聲波傳感器設計教程（2）