Page 148 - 《应用声学》2022年第6期

994 2022 年 11 月

1 1
VECTOR VECTOR
PLOT NO.1 PLOT NO.1
STEP=1 STEP=1
SUB =59 SUB =90
FREQ=59000 FREQ=90000 0.296T10 -7
REAL ONLY 0.682T10 -7 REAL ONLY
U 0.718T10 -7 U 0.325T10 -7
NODE=89 NODE=12
MIN=0.682T10 -7 0.754T10 -7 MIN=0.296T10 -7 0.353T10 -7
MAX=0.101T10 -6 MAX=0.554T10 -7
0.791T10 -7 0.382T10 -7
Y Y 0.411T10 -7
0.827T10 -7
Z X X
0.863T10 -7 Z 0.440T10 -7
0.899T10 -7 0.468T10 -7
0.936T10 -7 0.497T10 -7
0.972T10 -7 0.526T10 -7
0.101T10 -6 0.554T10 -7
(a) f=59 kHz (b) f=90 kHz
图 6 强耦合情况下的主要模态振型图 (α = 3)
Fig. 6 The displacement of vibration modes at the aspect ratio α = 3
1
1
VECTOR VECTOR
PLOT NO.1 PLOT NO.1
STEP=1 STEP=1
SUB =33 SUB =70
FREQ=33000 FREQ=70000
REAL ONLY 0.403T10 -7 REAL ONLY 0.187T10 -8
U U
NODE=173 0.599T10 -7 NODE=112 0.285T10 -8
MIN=0.403T10 -7 0.795T10 -7 MIN=0.187T10 -8
MAX=0.217T10 -6 MAX=0.107T10 -7 0.383T10 -8
0.992T10 -7 0.481T10 -8
Y Y
0.119T10 -6 0.579T10 -8
X X
Z Z
0.138T10 -6 0.676T10 -8
0.158T10 -6 0.774T10 -8
0.178T10 -6 0.872T10 -8
0.197T10 -6 0.970T10 -8
0.217T10 -6 0.107T10 -7
(a) f=33 kHz (b) f=70 kHz
图 7 长管堆情况下的主要模态振型图 (α = 6)
Fig. 7 The displacement of vibration modes at the aspect ratio α = 6
2.2 换能器发射特性优化 时达到最大，随后逐渐降低。如果选取高径比参数
通过理论及仿真结果可知，压电管堆换能器的 使两种模态响应幅值相当，可以在在两个谐振频率
振动及辐射特性主要与高径比参数有关。在保证施 间形成最佳宽带效果。
加电场强度不变的情况下，通过调节换能器的高度
获得不同高径比情况下的发射电压响应曲线，仿真 150
结果如图8所示。在高径比较小时，换能器两阶谐振 145
140
频率的距离较远，此时低频谐振峰应为纯径向振动，
135
频率约为 68 kHz 左右。随着高径比升高，纵向谐振 130
频率迅速降低，纵径振动耦合增强，带内起伏逐渐变 SLV/dB 125
小。当高径比继续增加超过临界点时，换能器出现 120 α=4.4
α=3.9
图 5 中的弯曲振动模态，高频段的发射电压响应迅 115 α=3.3
110 α=2.8
速降低，并且在两阶谐振之间出现响应凹坑。 α=2.2
105
图9是两个谐振峰处的发射电压响应SLV ω1 与 α=1.7
100
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
SLV ω2 随高径比 α 的变化曲线。换能器的低频响应
仁⦷/kHz
峰值 SLV ω1 随着 α 的增加逐渐升高，在超过α = α 0
图 8 不同高径比下换能器发射电压响应曲线仿真
的临界点后，也就是低频谐振由径向振动转变为纵 结果
向振动模态后，发射电压响应的变化趋于平稳。高 Fig. 8 The transmitting voltage response of the
频响应峰值SLV ω2 随α 变化出现极值点，当α = 2.4 transducer model at different aspect ratios