Page 91 - 《应该声学》2022年第2期

第 41 卷 第 2 期 刘文钊等： 磁致伸缩 -压电混合激励 Janus 换能器结构特征参量与纵振频率之间的关系 259

第二种模态以压电振子的纵振动为主导，存在两个 他结构特征参量不变，研究了各个结构特征参量变
位移节点，分别位于压电振子的中部和尾部质量块， 化对换能器特征工作模态频率的影响，以下模态 1
中间质量块的振动与辐射头反相，辐射头类似于平 和模态2分别代表图3中第一种和第二种工作模态。
板活塞辐射，因此也是一种可以利用的工作模态。 驱动振子的结构特征参量有 4 个，分别为压电
振子长度、压电振子半径、磁致伸缩振子长度和磁
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致伸缩振子半径。换能器两种工作模态频率与驱
动振子各个结构特征参量之间的变化关系如图 4
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所示：
(1) 随着压电振子长度增加，模态1频率小幅下
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降，而模态 2 频率迅速下降，二者的频率差迅速减
小；随着磁致伸缩振子长度增加，两个模态频率都下
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降，但磁致伸缩振子长度对模态1 的影响更大，二者
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x ࡋᦊ᠏᧚ڱ 的频率差逐渐增大。
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(2) 随着压电振子半径增加，模态1频率小幅下
图 2 磁致伸缩 -压电混合激励 Janus 换能器有限元
降，而模态 2 频率迅速上升，二者的频率差迅速增
模型
大；随着磁致伸缩振子半径增加，两个模态频率都上
Fig. 2 Finite element model of magnetostrictive-
升，但磁致伸缩振子半径对模态 1 频率的影响更大，
piezoelectric hybrid Janus transducer
二者的频率差迅速减小。
辐射头的结构特征参量有 4 个，分别为辐射头
外半径、辐射头内半径、辐射头内高度和辐射头外
高度。换能器两种工作模态频率与辐射头各个结构
特征参量之间的变化关系如图5所示：
(1) 随着辐射头外半径增加，模态1频率小幅下
降，而模态 2 频率迅速下降，二者的频率差迅速减

(a) ኄʷመവগ (b) ኄ̄መവগ 小。随着辐射头内半径增加，两个模态频率均下降，
但辐射头内半径对模态 2 频率的影响更大，二者的
图 3 磁致伸缩 -压电混合激励 Janus 换能器特征模态图
频率差逐渐减小。
Fig. 3 Two characteristic modes of magnetostrictive-
(2) 随着辐射头内高度增加，模态1频率小幅下
piezoelectric hybrid Janus transducer
降，而模态 2 频率先迅速上升后趋于稳定，二者的
模态分析结果表明，磁致伸缩 -压电混合激励
频率差迅速增大后趋于稳定。随着辐射头外高度增
Janus 换能器能够激发出两种有效的工作模态。相
加，两个模态频率均下降，但辐射头外高度对模态 2
比之下，采用单一磁致伸缩或压电振子的 Janus 换
频率的影响更大，二者的频率差逐渐减小。
能器，只具有一个纵振动特征模态。因此对于磁致
质量块的结构特征参量有 4 个，分别为中间质
伸缩 -压电混合激励 Janus换能器，可以通过调整结
量块和尾部质量块的高度与半径。换能器两种工作
构特征参量来实现两种工作模态的有效耦合，进而
模态频率与质量块各个结构特征参量之间的变化
大幅拓展换能器的工作带宽。
关系如图6所示：
(1) 随着中间质量块高度增加，两个模态频率
2 结构特征参量与特征模态频率的变化
规律 均缓慢下降，二者的频率差下降幅度很小；随着中间
质量块半径增加，模态 1 频率小幅下降，而模态 2 频
接下来对换能器的结构特征参量与特征工作 率迅速下降，两者的频率差迅速减小。
模态频率之间的变化规律开展研究。在初始模型的 (2) 随着尾部质量块高度或半径的增加，两个
基础上，通过改变某一个结构特征参量，同时保持其 模态频率基本保持不变。