Page 149 - 《应用声学》2022年第6期

第 41 卷 第 6 期 尹义龙等： 压电管堆式宽带换能器 995

在以上分析的基础上初步确定换能器样机的 影响，为此设计了图 11 结构图中的环氧预应力层。
尺寸参数，获得换能器发射电压响应仿真结果如 首先利用外力装置对装配完成的压电管堆模块施
图 10 所示，其中径向极化圆管换能器由两段去耦 加预应力，将加力后的压电管堆灌注环氧树脂，待环
的短圆管组成，这种结构相比单个长圆管性能更 氧树脂固化形成包裹层后撤去外部施力装置，利用
佳 [15−16] 。在两种类型的换能器上施加了相同电场 已固化的环氧包裹层保持施加的预应力。环氧树脂
强度的激励，可以看出纵向极化下圆管换能器的发 材料的声阻抗远低于压电陶瓷，可以最大程度降低
射性能具有明显优势，带宽比径向极化压电圆管提 预应力结构对换能器振动辐射特性的影响。
高了一倍以上，带内发射电压响应提高至少 3 dB 根据理论分析及仿真结果研制换能器样机，如
以上。 图 11 所示压电陶瓷管堆外径 17 mm，内径 12 mm，
150 高度16 mm，高径比约为2.2。换能器样机安照图11
的结构图装配完成，主要结构包括安装法兰、去耦
145 泡沫、管状压电叠堆、环氧预应力层、聚氨酯水密层
SLV ω1 等。为了减小安装法兰对换能器的影响，将压电陶
SLV/dB 140 SLV ω2 瓷管堆安装在换能器前端 1/4 位置，中间部分采用

去耦泡沫材料填充，封装后换能器直径 25 mm，高
135 100 mm。

130
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
α/h⊳a
图 9 换能器峰值响应随高径比参数的变化
Fig. 9 The transmitting voltage response at reso-
nance frequency as a function of aspect ratio h/a

150

145

140
SLV/dB 135 ᐑථᦳ ဗතᮕ ኮ࿄ԍ ԝᏹ ߷ᜉขР ᣥѣ

130 ඵࠛࡏ ऄҧࡏ ႃԯ۷ จ෭
ጫՔౝӑԍႃԯ۷
य़Քౝӑԍႃړኮ 图 11 换能器样机实物及结构图
125
Fig. 11 Photographs and sketch of the prototype
120
50 60 70 80 90 100
ᮠဋ/kHz
3.2 换能器样机测试分析
图 10 压电管堆换能器发射电压仿真曲线 在中国科学院声学研究所消声水池测试了换
Fig. 10 The transmitting voltage response of the 能器样机的发射电压响应曲线和指向性。图 12 是
prototype model
换能器发射电压响应测试结果，可以看出换能器的
低频谐振峰在 55 kHz 附近，响应约为 145 dB，高频
3 样机制作与测试
谐振峰在 80 kHz 附近，响应约为 143.5 dB。两个模
3.1 换能器样机制作 态的响应峰值基本相当，换能器 −3 dB 工作带宽为
为了保证换能器大功率下的发射特性，需要对 51 ∼ 84 kHz。受到压电材料参数、结构参数等误差
压电管堆施加纵向预应力，由于换能器尺寸较小如 的影响，实测工作频带比仿真结果略低，发射电压响
采用传统预应力螺杆结构会对振动模态产生较大 应幅度及宽带特性基本符合。