封閉式超音波感測器之設計與有限元素模擬

本研究之封閉式超音波感測器,乃針對車用超音波感測器,傳統乃以試誤法設計,並以提高驅動頻率的方式避免反射自地面之超音波訊號,如此不但縮小水平方向偵測範圍,同時高頻之超音波能量於空氣中傳遞消散更快。本研究由專利文獻之分析,歸納其設計方向,提出兩種提升工作指標的設計方法,使用虛擬原型之設計流程,以有限元素建立感測器外殼,模擬預測其行為,評估共振頻率、指向性與音源強度等三個指標,再製作感測器原型進行實驗量測,驗證其設計。第一種設計方法為改變振動面之邊界條件,設計圓形之感測器外殼,將振動面垂直方向之外殼側壁以銑刀切削孔洞驗證此設計。由模擬與實驗可知,孔洞之長度為外殼直徑之0.4倍,孔洞之位置距離振動板內側約2 mm,音源強度最佳,亦維持不錯之指向性。第二種設計方法為平移垂直之發波方向,以雪人形狀之感測器外殼驗證此設計。初步模擬可知,發波偏移方向為外殼側壁較薄處。另以上下圓之直徑與位置四個參數作最佳化分析,可知容納壓電片感測器外殼之凹槽上緣之厚度須相對較薄,但水平依然要維持較厚之側壁,可以使得發波方向偏移的同時,兼顧水平方向之指向性。本論文有別於業界使用提高驅動頻率之方法,使用改變振動面之邊界條件與平移垂直之發波方向兩種設計方法,成功提升超音波感測器之工作指標,並歸納出超音波感測器之設計方向,並以分析模擬之方式預測其行為,以增進設計效率,減少成本。

作者:胡智凱