Page 90 - 《应该声学》2022年第2期

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Tonpilz 型换能器。柴勇等 [11] 将磁致伸缩 -压电混
0 引言
合激励拓展至弯张换能器的研究中，在保持弯张换
水声换能器是进行水下探测和通信的关键设 能器原有频率低、尺寸小等优点的同时，显著地拓宽
备之一，随着对海洋研究与开发的发展，低频、宽带、 了工作频带，并增大了辐射声功率。磁致伸缩 -压电
大功率水声换能器成为研究的热点之一。Janus 换 混合激励 Janus 换能器至今未见有相关研究报道。
能器是一种利用纵振动模态进行双面辐射的换能 本文对磁致伸缩 - 压电混合激励 Janus 换能器的结
器，与传统 Tonpilz 换能器相比具有更大的功率容 构特征参量与纵振动模态频率之间的关系进行了
量，并且可与其他振动形式进行组合实现宽带发射， 研究，总结归纳了各个结构特征参量变化对纵振动
例如 Janus-Helmholtz 换能器 [1−2] 、Janus-Hammer 模态频率的影响规律，为此型换能器进一步的电声
Bell 换能器 [3] 、Janus-Ring 换能器 [4] 等。在 20 世 性能优化研究奠定了基础。
纪 80 年代，Butler 等 [5] 首先提出了磁致伸缩 -压电
混合激励的概念，由超磁致伸缩材料 Terfenol-D 和 1 换能器的结构特征参量与特征模态
PZT 压电陶瓷混合激励纵振动换能器，通过合理
利用二者的振动相位差，实现一端振动减弱、另一 磁致伸缩 -压电混合激励 Janus 换能器在结构
端振动放大的效果。后续又研究并制作了混合激 上具有旋转轴对称特征，同时左右两部分是对称的，
励 Tonpilz 换能器 [6−7] ，利用二者在电路中分别呈 因此可以选取其一半结构进行分析研究，结构示意
感性和容性的特点，通过磁致伸缩材料控制低频工 图如图 1 所示。换能器由 5 个部分组成，分别是：磁
作模态、压电材料控制高频工作模态，有效拓宽了 致伸缩振子、压电振子、辐射头、中间质量块、尾部
Tonpilz换能器的工作频带，并组成4×4阵列实现了 质量块。其中，磁致伸缩振子由 Terfenol-D 棒及其
宽带、大功率发射 [8] 。国内方面，刘强等 [9] 研究了磁 两端的永磁体组成，压电振子由若干 PZT压电陶瓷
致伸缩 -压电混合激励 Tonpilz 型换能器的线性数 片并联堆叠组成。在其余部件的材料选择上，辐射
学模型，理论计算结果与实测结果较为一致。夏铁 头通常选择密度较小的铝，中间质量块和尾部质量
坚等 [10] 研制了2 ∼ 7 kHz 磁致伸缩 -压电混合激励 块可选择密度较大的钢或者铜。

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图 1 磁致伸缩 -压电混合激励 Janus 换能器结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of magnetostrictive-piezoelectric hybrid Janus transducer

经过梳理后，换能器的主要结构特征参量共有 件后，建立有限元分析模型，如图2所示。
12个，具体包括：(1) 压电振子长度；(2) 压电振子半 对于磁致伸缩 -压电混合激励问题，使用压磁 -
径；(3) 磁致伸缩振子长度；(4) 磁致伸缩振子半径； 压电比拟方法 [12] 可以将磁致伸缩机电耦合问题等
(5) 辐射头外半径；(6) 辐射头内半径；(7) 辐射头内 效为压电耦合问题来解决。在有限元软件中输入各

高度；(8) 辐射头外高度；(9) 中间质量块高度；(10) 部分的材料参数，进行模态分析后，换能器前两阶
中间质量块半径；(11) 尾部质量块高度；(12) 尾部 特征模态的位移矢量图如图 3 所示。第一种模态以
质量块半径。 磁致伸缩振子的纵振动为主导，经过压电振子的传
根据磁致伸缩 -压电混合激励 Janus 换能器的 递与放大，存在一个位移节点，位于尾部质量块，辐
结构对称性，可以选取部分结构并施加对称边界条 射头类似于平板活塞辐射，是一种理想的工作模态。