Page 89 - 《应用声学》2023年第1期

第 42 卷 第 1 期 赵佳恒等： 铁镓 Janus-Helmholtz 换能器非线性驱动 85

形式，如图 1 所示，磁路包括导磁板、铁镓棒与磁导
0 引言
率可变的导磁元件 (简称导磁件)，最后使用线圈提
供驱动磁场。
低频水声换能器因其独特的需求而得到快速
发展和不断的技术突破 [1] 。水声换能器的发展与 ࠮ᇓЋ͈(ᇓ࠮ဋԻԫ)
技术进步主要体现在应用新型驱动材料、设计换
能器新结构和改善换能器制造工艺等方面，其中驱 ቇඡ۫
动材料的革新给水声换能器发展带来进步尤为重
要 [2] 。稀土材料铽镝铁合金因大应变、低杨氏模量、
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高能量密度等优势，被广泛应用于水声换能器的制 ࠮ᇓ౜
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作 [3−4] 。近些年，铁镓合金作为一种新型磁致伸缩 ᨡ᪤ೢ
材料引起了研究工作者的注意 [5] ，尽管磁致伸缩应
变比铽镝铁小，但具有低磁场下应变高、滞后小、磁
图 1 换能器磁路示意图
导率高、居里温度高等特点，同时也由于抗拉 -抗剪
Fig. 1 Schematic diagram of transducer magnetic
切强度高、耐高静压力等良好力学特性 [6−7] ，展示 circuit
其特殊场景下的应用潜力。目前，国内外对铁镓材
磁路与电路不同，电路中元件电导率与空气相
料的应用研究工作在传感器和能量收集器等方面
差 10 倍以上，基本不会出现漏电的现象，但是磁
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偏多 [8−9] ，水声换能器方面的研究工作相对较少。
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路中元件的磁导率仅是空气的 10 ∼ 10 倍，在磁
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磁致伸缩曲线的非线性特征引起了人们思考
路周围存在漏磁的现象。因此，在分析磁路的时候
非线性驱动的兴趣，Piquette 等 [10] 研究有滞后效
需要考虑漏磁阻。根据磁感线界面折射规律，磁感
应的饱和材料的非线性输出控制，与原来的结果相
线向高磁导率物质内密集，所以漏出的磁场大部分
比失真减少了一个量级。Pan 等 [11] 设计了铁镓合
都集中在如图 1 所示的空气域内，为了方便研究，
金 Janus 换能器，并研究了无偏置磁场下铁镓材料
认为漏磁仅存在于图 1 中所示空气域内。那么该磁
“倍频” 工作特性。李英明等 [12] 设计了中低磁场时
路结构的静态磁路图如图 2 所示，导磁板一般使用
换能器的半频驱动信号，并通过实验加以验证。这
电工纯铁，磁导率较高，磁阻远小于其他导磁元件，
些工作显示了非线性驱动的特殊应用价值，同时铁
可以看作磁路中的 “导磁线”。磁路中仅包括铁镓棒
镓材料在高磁场下非线性驱动的应用潜力未被有
的磁阻 R 1 、导磁件的磁阻 R 2 以及对应的漏磁磁阻
效利用。本文针对磁致伸缩材料的复杂磁化过程
R 1w 、R 2w 。
开展深入研究，利用磁路法分析磁阻对铁镓驱动磁
场的影响，从非线性磁致伸缩方程出发，把握磁致 R w
伸缩换能器非线性驱动机理，设计驱动信号，并以
Janus-Helmholtz换能器为实例，进行实验验证。
R 
1 铁镓换能器磁路分析与非线性驱动理
NI R  R w
论研究

1.1 换能器磁路理论分析
类比电路中的欧姆定律，可以利用磁路定理分 图 2 静态等效磁路示意图
析和计算磁场分布。类似电阻，将 “磁阻” 引入磁路 Fig. 2 Schematic diagram of static equivalent
中，磁阻R i 的表达式为 magnetic circuit
l i
R i = , (1) 该磁路的“欧姆定律”可以写为
µ i µ 0 S i
∑ ∑
其中，µ i 、l i 、S i 分别是第 i 段均匀磁路中的磁导率、 NI = i H i l i = Φ B i R i
( )
长度和截面积。为了分析除铁镓以外的导磁元件磁 R 1 R 1w R 2 R 2w
= Φ B + , (2)
导率对磁路特性的影响，设计一种常用的闭合磁路 R 1 + R 1w R 2 + R 2w