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第 37 卷 第 5 期 刘金河等： 钹型换能器的优化设计 769

环内径的变化情况。从图6和图8可以看出，钹型换 ⊲
能器一阶、二阶共振反共振频率随着压电陶瓷圆环 ⊲
内径的增大而逐渐减小。图7和图9分别是一阶、二 ⊲
阶振动模态下，钹型换能器有效机电耦合系数随陶 ⊲
瓷圆环内径的变化情况。换能器的有效机电耦合系 K eff ⊲
数，是描述它在能量转换过程中，能量相互耦合程度
⊲
的一个物理量，对于压电陶瓷薄圆环径向振动模式，
⊲
其有效机电耦合系数等于材料的机电耦合系数。从
⊲
图7 可以看出，一阶振动模态下，换能器的有效机电      
R 1 /mm
耦合系数先增大后减小，在 R 1 = 4 mm 时，K eff 达
图 9 二阶振动模态下钹型换能器的有效机电耦合
到最大值，二阶模态下换能器的有效机电耦合系数
系数与圆环内径之间的关系
随着内径R 1 增大逐渐减小。
Fig. 9 The relationship between the effective elec-
tromechanical coupling coefficient and the inner
0.44
diameter of the ring of a Cymbal transducer un-
der the second-order vibration mode
0.42
K eff 0.40 4 钹型换能器在水中的有限元分析

0.38 近几年来，随着声呐技术的快速发展，水声换
能器的种类也变得越来越多，钹型换能器是基本的
0.36
水声换能器类型，对其进行优化分析具有实际意义，
0 2 4 6 8 10
下面将利用仿真软件对本文提出的这种钹型换能
R 1 /mm
器在水中的机电特性及声压分布进行分析 [8] 。
图 7 一阶振动模态下钹型换能器的有效机电耦合
利用仿真软件 COMSOL 中的压力声学模块对
系数与圆环内径之间的关系
钹型换能器的在水中的特性进行研究，具体尺寸采
Fig. 7 The relationship between the effective elec-
用表1中的尺寸2，计算结果如图10所示。
tromechanical coupling coefficient and the inner
diameter of the ring of a Cymbal transducer un-
der the first-order vibration mode

66
65
64
63
ᮠဋ/kHz 62 f r

61
f a
60
59
58
57
0 2 4 6 8 10 图 10 钹型换能器在水中的导纳模值
R 1 /mm
Fig. 10 Admittance modulus of a Cymbal trans-
图 8 钹型换能器二阶共振和反共振频率与圆环内 ducer in water
径之间的关系
从图10可以看出，这种钹型换能器在水中的共
Fig. 8 The relationship between the second-
振频率与在空气中相比明显减小，这是因为换能器
order resonance and antiresonance frequency of
the Cymbal transducer and the inner diameter of 在水中工作，相当于在换能器中增加了负载，使得
the ring 换能器的共振频率降低。图 11 分别是换能器一阶