提出一種具有小尺寸、低頻、水平無指向性的新結(jié)構(gòu)換能器——折回型縱向振子拼合圓柱換能器,換能器由4組共享尾質(zhì)量塊的折回型壓電縱向振子正交布置驅(qū)動環(huán)形輻射面拼合構(gòu)成。采用有限元方法對換能器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,并制作了換能器樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:換能器直徑為Φ180 mm,諧振頻率為1.5 kHz,最大發(fā)射電壓響應(yīng)為131 dB,最大聲源級不低于188 dB,水平全向。該換能器具有低頻、小尺寸、水平無指向性的特點(diǎn),具有良好的應(yīng)用前景。 

【文章來源】：聲學(xué)學(xué)報. 2020,45(01)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

圖１折回型縱向振子低頻拼合圓柱換能器結(jié)構(gòu)示意圖??（藍(lán)色為內(nèi)晶堆預(yù)應(yīng)力螺桿，粉色為內(nèi)晶堆，棕色為“ｕ”??

結(jié)構(gòu)上??具有空間對稱性，利用有限元軟件ＡＮＳＹＳ，建立換??能器的１／８有限元模型進(jìn)行仿真分析。通過模態(tài)分??析，優(yōu)選出可以利用的工作模態(tài)。柱形輻射頭、折回??筒以及尾質(zhì)量塊等結(jié)構(gòu)體采用實(shí)體單元Ｓｏｌｉｄ４５，壓??電驅(qū)動元件采用耦合場單元Ｓ〇ｌｉｄ５，給定各部分的材??料參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸，建立換能器的有限元模型，空氣??中模型如圖２所示。??圖２折回型縱向振子低頻拼合圓柱換能器空氣中１／８有限元模型??首先，分析換能器在空氣中的振動模態(tài)．換能??器的前兩階振動模態(tài)，如圖３和圖４所示。圖３可??以看到，換能器空氣中的第一階模態(tài)的振動頻率為??２．３?ｋＨｚ，是輻射面和折回型壓電振子的縱振模態(tài)，其??最大振幅分布在柱形輻射頭上，振動節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在共??享尾質(zhì)量塊上，是一種典型的１／４波長振子工作模??式。其中，內(nèi)、外晶堆壓電振子的振動矢量同相，組??合成的折回型縱向振子的振動矢量由中心沿徑向向??外擴(kuò)散，周向組成的柱形輻射面可近似看作均勻的??徑向振動，整體振動相位一致，且振幅較大，是主要??工作模態(tài)。??換能器空氣中的第二階模態(tài)的振動頻率為??４．４?ｋＨｚ，如圖４所示。與第一階振動相比，共享尾質(zhì)??量塊的振幅很小仍然是振動節(jié)點(diǎn)，而柱形輻射頭上??振動分布發(fā)生變化，產(chǎn)生了彎曲振動并出現(xiàn)了明顯??的振動節(jié)點(diǎn)，是柱形輻射頭的彎曲振動模態(tài)．在這種??振動形式下，換能器柱形輻射頭上振幅分布不均勻??且存在聲輻射反相區(qū)，換能器的周向輻射聲場會產(chǎn)??生一定的指向性，并嚴(yán)重影響換能器的發(fā)射性能。??在換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要盡量避免輻射頭彎曲模態(tài)??的影響，要求換能器彎曲模態(tài)諧振頻率遠(yuǎn)高于工作??頻率。??圖３折回型

拼合圓柱換能器的結(jié)??構(gòu)較為復(fù)雜，需要使用有限元方法對其振動特性進(jìn)??行建模分析，以指導(dǎo)換能器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計．??折回型縱向振子低頻拼合圓柱換能器在結(jié)構(gòu)上??具有空間對稱性，利用有限元軟件ＡＮＳＹＳ，建立換??能器的１／８有限元模型進(jìn)行仿真分析。通過模態(tài)分??析，優(yōu)選出可以利用的工作模態(tài)。柱形輻射頭、折回??筒以及尾質(zhì)量塊等結(jié)構(gòu)體采用實(shí)體單元Ｓｏｌｉｄ４５，壓??電驅(qū)動元件采用耦合場單元Ｓ〇ｌｉｄ５，給定各部分的材??料參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸，建立換能器的有限元模型，空氣??中模型如圖２所示。??圖２折回型縱向振子低頻拼合圓柱換能器空氣中１／８有限元模型??首先，分析換能器在空氣中的振動模態(tài)．換能??器的前兩階振動模態(tài)，如圖３和圖４所示。圖３可??以看到，換能器空氣中的第一階模態(tài)的振動頻率為??２．３?ｋＨｚ，是輻射面和折回型壓電振子的縱振模態(tài)，其??最大振幅分布在柱形輻射頭上，振動節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在共??享尾質(zhì)量塊上，是一種典型的１／４波長振子工作模??式。其中，內(nèi)、外晶堆壓電振子的振動矢量同相，組??合成的折回型縱向振子的振動矢量由中心沿徑向向??外擴(kuò)散，周向組成的柱形輻射面可近似看作均勻的??徑向振動，整體振動相位一致，且振幅較大，是主要??工作模態(tài)。??換能器空氣中的第二階模態(tài)的振動頻率為??４．４?ｋＨｚ，如圖４所示。與第一階振動相比，共享尾質(zhì)??量塊的振幅很小仍然是振動節(jié)點(diǎn)，而柱形輻射頭上??振動分布發(fā)生變化，產(chǎn)生了彎曲振動并出現(xiàn)了明顯??的振動節(jié)點(diǎn)，是柱形輻射頭的彎曲振動模態(tài)．在這種??振動形式下，換能器柱形輻射頭上振幅分布不均勻??且存在聲輻射反相區(qū)，換能器的周向輻射聲場會產(chǎn)??生一定的指向性，并

【參考文獻(xiàn)】：
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