Page 93 - 《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 89

1.0
0.8

0.6
៨ࠛए
0.4
图 8 换能器照片 0.2
Fig. 8 Transducer photo
0
由磁致伸缩方程可知，磁致伸缩过程包括磁致 0 1 2 3 4 5
ᮠဋ/kHz
伸缩材料的磁化方式以及磁化导致磁致伸缩应变，
它们都与预应力有关，预应力越大，饱和磁致伸缩应 图 10 低磁场下输出信号频谱
变就越大，但同时预应力使得材料的磁畴偏转困难， Fig. 10 Output signal spectrum under low mag-
磁化需要更多的磁场，预应力越大达到相同的磁致 netic field
伸缩就需要加载越大的磁场，对于铁镓换能器来说，
在中高磁场时，首先使用正选信号激励，输出
越大的预应力，对应需要的磁场强度越大，需要更多
信号如图 11 所示，从图上看，当使用正弦线性信
的电流驱动。因此，预应力不是越大越好，而是根据
号激励时，输出信号具有非常明显的非线性。接着
实际的驱动电流确定的，本文选择采用文献 [16] 中
设置输出频率为 2000 Hz 正弦信号，输入电流采用
的模型，当驱动电流有效值最大为 10 A 时，最合适
式 (20)的形式，其中预应力σ = σ 0 = 40 MPa，记录
的预应力为 40 MPa。实际制作中通过千斤顶对换
了换能器的加速度传感器的信号，并做频谱分析，结
能器施加预应力。
果分别如图 12 和图 13 所示。将图 6 波形作为输入
2.2 换能器空气中振动测试 信号时，输出了正弦倍频信号，且波形良好，与直接
换能器振动的加速度与位移在频率不变时是 输入线性信号相比，抑制较为明显。
线性的，可以利用加速度传感器记录换能器空气中
1.0
的振动波形，这种方法操作简单，可以直接测得换能
器的振动，以减少不必要的误差。在低磁场时，输入 0.8
信号采用频率为 1000 Hz 的正弦脉冲，记录换能器
的输入信号与加速度计信号，波形如图 9所示，对输 ៨ࠛए 0.6
出信号进行傅里叶变换，频谱如图10所示。 0.4
从图 9中可知换能器输出的振动频率为输入信
号的 2 倍，且波形良好。换能器在低磁场下可以通 0.2
过半频驱动输出线性信号。
0
0 1 2 3 4 5
ᮠဋ/kHz
ҫᤴएᝠηՂ
图 11 正弦激励时输出信号谱密度
Fig. 11 Output signal spectral density under si-
nusoidal excitation

换能器空气中振动测试验证了理论推导的准
确性，实现了换能器在大功率下的无偏场非线性驱
ᣥКηՂ 动。这种驱动方式可以在铁镓无偏驱动时，有效减
少换能器工作在非线性区对输出波形产生的影响，
图 9 低磁场下加速度计信号与输入信号波形
Fig. 9 Accelerometer signal and input signal un- 在有偏置磁场时，也可以减少因铁镓近似线性区小
der low magnetic field 导致的非线性。