折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器
发布时间：2021-08-05 22:37
提出一种具有小尺寸、低频、水平无指向性的新结构换能器——折回型纵向振子拼合圆柱换能器,换能器由4组共享尾质量块的折回型压电纵向振子正交布置驱动环形辐射面拼合构成。采用有限元方法对换能器进行优化设计,并制作了换能器样品。实验结果表明:换能器直径为Φ180 mm,谐振频率为1.5 kHz,最大发射电压响应为131 dB,最大声源级不低于188 dB,水平全向。该换能器具有低频、小尺寸、水平无指向性的特点,具有良好的应用前景。
【文章来源】：声学学报. 2020,45(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器结构示意图??（蓝色为内晶堆预应力螺杆，粉色为内晶堆，棕色为“ｕ”??
结构上??具有空间对称性，利用有限元软件ＡＮＳＹＳ，建立换??能器的１／８有限元模型进行仿真分析。通过模态分??析，优选出可以利用的工作模态。柱形辐射头、折回??筒以及尾质量块等结构体采用实体单元Ｓｏｌｉｄ４５，压??电驱动元件采用耦合场单元Ｓ〇ｌｉｄ５，给定各部分的材??料参数、结构尺寸，建立换能器的有限元模型，空气??中模型如图２所示。??图２折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器空气中１／８有限元模型??首先，分析换能器在空气中的振动模态．换能??器的前两阶振动模态，如图３和图４所示。图３可??以看到，换能器空气中的第一阶模态的振动频率为??２．３?ｋＨｚ，是辐射面和折回型压电振子的纵振模态，其??最大振幅分布在柱形辐射头上，振动节点出现在共??享尾质量块上，是一种典型的１／４波长振子工作模??式。其中，内、外晶堆压电振子的振动矢量同相，组??合成的折回型纵向振子的振动矢量由中心沿径向向??外扩散，周向组成的柱形辐射面可近似看作均匀的??径向振动，整体振动相位一致，且振幅较大，是主要??工作模态。??换能器空气中的第二阶模态的振动频率为??４．４?ｋＨｚ，如图４所示。与第一阶振动相比，共享尾质??量块的振幅很小仍然是振动节点，而柱形辐射头上??振动分布发生变化，产生了弯曲振动并出现了明显??的振动节点，是柱形辐射头的弯曲振动模态．在这种??振动形式下，换能器柱形辐射头上振幅分布不均匀??且存在声辐射反相区，换能器的周向辐射声场会产??生一定的指向性，并严重影响换能器的发射性能。??在换能器结构设计中，要尽量避免辐射头弯曲模态??的影响，要求换能器弯曲模态谐振频率远高于工作??频率。??图３折回型
拼合圆柱换能器的结??构较为复杂，需要使用有限元方法对其振动特性进??行建模分析，以指导换能器的结构优化设计．??折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器在结构上??具有空间对称性，利用有限元软件ＡＮＳＹＳ，建立换??能器的１／８有限元模型进行仿真分析。通过模态分??析，优选出可以利用的工作模态。柱形辐射头、折回??筒以及尾质量块等结构体采用实体单元Ｓｏｌｉｄ４５，压??电驱动元件采用耦合场单元Ｓ〇ｌｉｄ５，给定各部分的材??料参数、结构尺寸，建立换能器的有限元模型，空气??中模型如图２所示。??图２折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器空气中１／８有限元模型??首先，分析换能器在空气中的振动模态．换能??器的前两阶振动模态，如图３和图４所示。图３可??以看到，换能器空气中的第一阶模态的振动频率为??２．３?ｋＨｚ，是辐射面和折回型压电振子的纵振模态，其??最大振幅分布在柱形辐射头上，振动节点出现在共??享尾质量块上，是一种典型的１／４波长振子工作模??式。其中，内、外晶堆压电振子的振动矢量同相，组??合成的折回型纵向振子的振动矢量由中心沿径向向??外扩散，周向组成的柱形辐射面可近似看作均匀的??径向振动，整体振动相位一致，且振幅较大，是主要??工作模态。??换能器空气中的第二阶模态的振动频率为??４．４?ｋＨｚ，如图４所示。与第一阶振动相比，共享尾质??量块的振幅很小仍然是振动节点，而柱形辐射头上??振动分布发生变化，产生了弯曲振动并出现了明显??的振动节点，是柱形辐射头的弯曲振动模态．在这种??振动形式下，换能器柱形辐射头上振幅分布不均匀??且存在声辐射反相区，换能器的周向辐射声场会产??生一定的指向性，并
【参考文献】：
期刊论文
[1]管梁耦合宽带换能器[J]. 柴勇,莫喜平,刘永平,潘耀宗,张运强,李鹏. 声学学报. 2017(05)
[2]低频宽带大功率“星型”柱面发射换能器[J]. 刘慧生,莫喜平,张运强. 声学学报. 2013(05)
[3]一种自由溢流式压电圆环阵[J]. 黄树枝,王宏,王艳. 声学技术. 2003(04)
[4]弹性薄圆环的超声频径向振动及其等效电路研究[J]. 林书玉. 声学学报. 2003(02)
[5]低频宽带大功率镶拼圆管换能器[J]. 刘公侠,陈兴华. 应用声学. 2002(06)
[6]自由溢流镶拼六面体稀土换能器的研制[J]. 赵荣荣. 舰船科学技术. 1999(03)
[7]有限长薄壁弹性圆柱的径长耦合振动[J]. 周心一,孙进才. 声学学报. 1996(03)
[8]低频宽带大功率溢流式镶拼圆管换能器[J]. 谢朝矩,姚国华. 应用声学. 1996(01)
[9]多层有限高度圆柱型水声换能器的研究[J]. 曹承伟. 声学学报. 1988(06)
[10]薄壁压电陶瓷圆管机电参数的测定[J]. 王鸿樟,钱德初,丁缨. 声学学报. 1986(04)
本文编号：3324582
【文章来源】：声学学报. 2020,45(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器结构示意图??（蓝色为内晶堆预应力螺杆，粉色为内晶堆，棕色为“ｕ”??
结构上??具有空间对称性，利用有限元软件ＡＮＳＹＳ，建立换??能器的１／８有限元模型进行仿真分析。通过模态分??析，优选出可以利用的工作模态。柱形辐射头、折回??筒以及尾质量块等结构体采用实体单元Ｓｏｌｉｄ４５，压??电驱动元件采用耦合场单元Ｓ〇ｌｉｄ５，给定各部分的材??料参数、结构尺寸，建立换能器的有限元模型，空气??中模型如图２所示。??图２折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器空气中１／８有限元模型??首先，分析换能器在空气中的振动模态．换能??器的前两阶振动模态，如图３和图４所示。图３可??以看到，换能器空气中的第一阶模态的振动频率为??２．３?ｋＨｚ，是辐射面和折回型压电振子的纵振模态，其??最大振幅分布在柱形辐射头上，振动节点出现在共??享尾质量块上，是一种典型的１／４波长振子工作模??式。其中，内、外晶堆压电振子的振动矢量同相，组??合成的折回型纵向振子的振动矢量由中心沿径向向??外扩散，周向组成的柱形辐射面可近似看作均匀的??径向振动，整体振动相位一致，且振幅较大，是主要??工作模态。??换能器空气中的第二阶模态的振动频率为??４．４?ｋＨｚ，如图４所示。与第一阶振动相比，共享尾质??量块的振幅很小仍然是振动节点，而柱形辐射头上??振动分布发生变化，产生了弯曲振动并出现了明显??的振动节点，是柱形辐射头的弯曲振动模态．在这种??振动形式下，换能器柱形辐射头上振幅分布不均匀??且存在声辐射反相区，换能器的周向辐射声场会产??生一定的指向性，并严重影响换能器的发射性能。??在换能器结构设计中，要尽量避免辐射头弯曲模态??的影响，要求换能器弯曲模态谐振频率远高于工作??频率。??图３折回型
拼合圆柱换能器的结??构较为复杂，需要使用有限元方法对其振动特性进??行建模分析，以指导换能器的结构优化设计．??折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器在结构上??具有空间对称性，利用有限元软件ＡＮＳＹＳ，建立换??能器的１／８有限元模型进行仿真分析。通过模态分??析，优选出可以利用的工作模态。柱形辐射头、折回??筒以及尾质量块等结构体采用实体单元Ｓｏｌｉｄ４５，压??电驱动元件采用耦合场单元Ｓ〇ｌｉｄ５，给定各部分的材??料参数、结构尺寸，建立换能器的有限元模型，空气??中模型如图２所示。??图２折回型纵向振子低频拼合圆柱换能器空气中１／８有限元模型??首先，分析换能器在空气中的振动模态．换能??器的前两阶振动模态，如图３和图４所示。图３可??以看到，换能器空气中的第一阶模态的振动频率为??２．３?ｋＨｚ，是辐射面和折回型压电振子的纵振模态，其??最大振幅分布在柱形辐射头上，振动节点出现在共??享尾质量块上，是一种典型的１／４波长振子工作模??式。其中，内、外晶堆压电振子的振动矢量同相，组??合成的折回型纵向振子的振动矢量由中心沿径向向??外扩散，周向组成的柱形辐射面可近似看作均匀的??径向振动，整体振动相位一致，且振幅较大，是主要??工作模态。??换能器空气中的第二阶模态的振动频率为??４．４?ｋＨｚ，如图４所示。与第一阶振动相比，共享尾质??量块的振幅很小仍然是振动节点，而柱形辐射头上??振动分布发生变化，产生了弯曲振动并出现了明显??的振动节点，是柱形辐射头的弯曲振动模态．在这种??振动形式下，换能器柱形辐射头上振幅分布不均匀??且存在声辐射反相区，换能器的周向辐射声场会产??生一定的指向性，并
【参考文献】：
期刊论文
[1]管梁耦合宽带换能器[J]. 柴勇,莫喜平,刘永平,潘耀宗,张运强,李鹏. 声学学报. 2017(05)
[2]低频宽带大功率“星型”柱面发射换能器[J]. 刘慧生,莫喜平,张运强. 声学学报. 2013(05)
[3]一种自由溢流式压电圆环阵[J]. 黄树枝,王宏,王艳. 声学技术. 2003(04)
[4]弹性薄圆环的超声频径向振动及其等效电路研究[J]. 林书玉. 声学学报. 2003(02)
[5]低频宽带大功率镶拼圆管换能器[J]. 刘公侠,陈兴华. 应用声学. 2002(06)
[6]自由溢流镶拼六面体稀土换能器的研制[J]. 赵荣荣. 舰船科学技术. 1999(03)
[7]有限长薄壁弹性圆柱的径长耦合振动[J]. 周心一,孙进才. 声学学报. 1996(03)
[8]低频宽带大功率溢流式镶拼圆管换能器[J]. 谢朝矩,姚国华. 应用声学. 1996(01)
[9]多层有限高度圆柱型水声换能器的研究[J]. 曹承伟. 声学学报. 1988(06)
[10]薄壁压电陶瓷圆管机电参数的测定[J]. 王鸿樟,钱德初,丁缨. 声学学报. 1986(04)
本文编号：3324582
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