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770 2018 年 9 月

和二阶共振频率下声压的分布状况。从图中可以 和图 13 所示。从图 12 和图 13 可以看出，随着金属
看出，随着频率的增加，换能器在水中声场指向性 端帽厚度的不断增加，换能器的导纳频率和发射电
增强。 压响应的极大值也在不断增大。发射电压响应是发
逐步改变钹型换能器金属端帽厚度，计算得到 射换能器的重要性能之一，其高低决定了声波的传

了换能器导纳模值和发射电压响应 (Transmitting 播距离。因此，在实际的工程应用中，应结合具体用
voltage response, TVR)随频率的变化曲线，如图 12 途设置金属端帽的厚度。

T10 3 T10 3
Freq(141)=34 kHz జ᭧: abs(acpr, p_t)(Pa) Freq(301)=50 kHz జ᭧: abs(acpr, p_t)(Pa) 8
1.8
7
1.6
6
1.4
1.2 5
1.0 4
0.8 3
0.6
2
0.4
1
0.2
(a) f=34 kHz (b) f=50 kHz
图 11 钹型换能器前两阶声压分布图
Fig. 11 The first two-order radiated sound pressure of the Cymbal transducer

5 结论

(1) 为了说明这种换能器的工作原理并指导提
高其工作效率，对这种钹型换能器进行了理论分析，
得出了这种换能器的机电等效电路图，通过等效电
路图计算出了换能器的共振频率，并与仿真结果做
了对比，发现二者近似吻合。
(2)其他条件不变，当压电陶瓷圆环的外半径与
圆盘的半径相等时，压电陶瓷为圆环的钹型换能器
一阶共振频率更低，而且频率越高，这种差距越大。
图 12 金属端帽厚度对导纳模值的影响 这就说明，与同样尺寸的压电陶瓷圆盘相比，压电
Fig. 12 Influence of metal end cap thickness on 陶瓷为圆环的钹型换能器共振频率更低、体积更小，
admittance modulus 在高频段，这种优势更加明显。数值模拟了钹型换
能器的振动模态、共振频率、反共振频率以及机电
耦合系数与陶瓷圆环尺寸之间的关系，发现在陶瓷
圆环内径很小时，二阶模态下的频宽相比于一阶模
态更大。此外，一阶振动模态下，随着圆环内径的增
大，换能器的有效机电耦合系数达到最大值，根据
这一特征，可以对这种钹型换能器的优化设计提供
指导。
(3) 使用有限元法模拟了钹型换能器在水中的
机电特性及声压分布，计算出了钹型换能器在水中
的导纳模值曲线和发射电压响应。

图 13 金属端帽厚度对发射电压响应的影响 (4) 钹型换能器的金属端帽是换能器的重要组
Fig. 13 Influence of metal end cap thickness on 成部分，其形状及尺寸对换能器的机电性能有着非
transmitting voltage response 常大的影响，以后将作为工作重点，专门进行研究。