Page 17 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 伊子旭等： 宽体液腔 Janus-Helmholtz 换能器 659

见连接件的刚度对换能器发射电压响应曲线有明 结果如图 8 所示， 可见二阶模态的谐振频率在
显的影响，只有刚度足够大时，这种影响才变得不 2.6 kHz 以上，远大于换能器基频谐振 (受腔体参
明显。 数影响较大) 工作模态，因此改变腔体结构参数时，
宽体壳体和连接件构成的振动体统符合第 2 节的分
150
析结果，使换能器分析结果受连接件的影响较小，
140 便于优化比较宽体壳体的宽度拓展增量 d 的影响
ԧ࠱ႃԍ־ऄ/dB 130 10 mm 情况。

120
15 mm
20 mm
110
25 mm
100
1000 1500 2000 2500 3000 3500
ᮠဋ/Hz
图 6 发射电压响应随结构尺寸 L 变化曲线
Fig. 6 Transmit voltage response at different L

3 宽体壳体模态分析 (a) d=15 mm, (b) d=25 mm, (c) d=35 mm,
3375 Hz 3032 Hz 2647 Hz
在 JH 换能器的应用中，由于水的特性阻抗与
图 8 不同宽度拓展增量 d 下的壳体模态及其频率
空气相比相差悬殊，且与壳体材料的特性阻抗可以
Fig. 8 Shell modes at different width increment d
比拟，因此 Helmholtz 腔体的结构壁不能被认为是
完全刚性的，需要考虑壳体谐振对换能器声辐射的 4 宽体壳体JH换能器实验样机制作与实
影响。在典型的 JH换能器中，通过使用杨氏模量较 验验证
高的壳体材料以及增加壳体厚度的方法，减弱壳体
经过反复优化，确定如下结构参数：辐射头直径
谐振的干扰，硬铝材料的壳体在厚度增加到 16 mm
198 mm，壳体开口长度 90 mm，壳体厚度 15 mm，
以上时，发射电压响应的变化就已不再明显 [9] 。改
壳体宽度增量 35 mm。依据最终确定的了 JH 换能
用宽体壳体后，由于壳体结构发生变化，壳体谐振对
器结构参数制作了实验样机。
于JH换能器的影响就很有分析的必要。
对宽体壳体 JH 换能器样机进行湖上测试，发
建立壳体的三维对称模型如图 7 所示，模型包
射电压响应实测曲线与仿真结果对比如图 9 所示，
括宽体壳体、连接部分、Janus 振子中间质量 3 个部
仿真结果中 JH 换能器的谐振频率分别为 1250 Hz
分，对其进行模态分析。在模态分析中，中间质量
与 2250 Hz，谐振频率处的发射电压响应分别为
在 Janus 振子的振动时，由于振子的对称性而可认
134 dB、142 dB；实测谐振频率 1200 Hz 与2300 Hz
为是不参与振动的，故在模态分析中施加固定边界
处的发射电压响应分别为 133.9 dB、143.2 dB。
条件。
对不同的模态分析后的结果中一阶模态为壳 150
体的平动，不影响换能器工作。其二阶模态分析 140
ԧ࠱ႃԍ־ऄ/dB 120 ͌ᄾፇ౧
ࠕʹܧʹ 130

˗ᫎ᠏᧚ 110 ฾តፇ౧
ᤌଌ͈
100
800 1300 1800 2300 2800 3300
ᮠဋ/Hz

图 9 宽体壳体 JH 换能器实验样机的发射电压响应
图 7 壳体建模结构示意图 Fig. 9 Transmit voltage response of experimental
Fig. 7 Schematic diagram of shell modeling structure prototype