Page 95 - 《应用声学》2023年第1期
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第 42 卷 第 1 期 赵佳恒等： 铁镓 Janus-Helmholtz 换能器非线性驱动 91
图 17 是该换能器的阻抗随驱动电流的变化曲 达198.2 dB，对应的发送电流响应为178.7 dB，采用
线，因为选择的是非线性驱动，该换能器的阻抗也是 无偏置磁场非线性驱动方式比永磁偏置磁场换能
非线性的，换能器阻抗随驱动磁场变化而变化，换能 器声源级提高了近4 dB。
器在每个频率下阻抗都如图 17 一样随着电流变化 总结全文有以下结论：
而变换。随着驱动电流的增加，换能器的阻抗在减 (1) 铁镓属于高导磁材料，设计磁路时需要避
少，换能器的效率在增加。 免磁路中出现高磁阻元件，无偏场低阻磁路是铁镓
换能器提高发射性能的一种优选技术途径。
200
(2) 由铽镝铁材料得出的磁致伸缩本构方程可
180 以借鉴推广应用于铁镓材料及其换能器，利用帕德
逼近可以简捷有效表达铁镓磁致伸缩材料的磁化
160
ઈ/W 过程，据此设计的非线性驱动模型，经仿真和实验得
140 到了验证。
(3) 无偏场 Janus-Helmholtz 换能器的设计研
120
制与驱动实现，验证了低阻磁路方案及非线性驱动
100 模型设计的正确性，该工作对其他结构形式换能器
0 2 4 6 8 10
的设计应用具有指导意义。
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后续工作中将继续对铁镓非线性驱动展开深
图 17 换能器的阻抗随电流变化曲线
入研究，并推广到铁镓弯张换能器、弯曲梁等结构
Fig. 17 The change curve of the impedance of the
transducer with the current 的换能器中。
无偏驱动也带来了磁致伸缩非线性和 “无效”
磁化的问题，其中磁致伸缩非线性则可以通过推导 参 考 文 献
出的非线性驱动模型改善；“无效” 磁化是指无偏置
[1] 莫喜平. 水声换能器发展中的技术创新 [J]. 陕西师范大学学
磁场时，驱动磁场需要从零开始磁化铁镓材料，这时 报 (自然科学版), 2018, 46(3): 1–12.
材料的磁畴大多无序，材料无法提供有效的位移输 Mo Xiping. Technical innovations with progress of under-
出。“无效” 磁化会导致电流小时响应较低，如图 16 water transducers[J]. Journal of Shaanxi Normal Univer-
sity(Natural Science Edition), 2018, 46(3): 1–12.
中的 0 A 到3 A 时的发送响应与声源级曲线所反映
[2] 莫喜平. 我国水声换能器技术研究进展与发展机遇 [J]. 中国
的规律，也影响换能器的效率，如图 17 所示的无效 科学院院刊, 2019, 34(3): 272–282.
阻抗减少。 [3] 莫喜平. Terfenol-D 鱼唇式弯张换能器 [J]. 声学学报, 2001,
26(1): 25–28.
3 结论 Mo Xiping. A Terfenol-D “Fish-Mouth” flextensional
transducer[J]. Acta Acustica, 2001, 26(1): 25–28.
[4] 刘永平, 莫喜平, 柴勇, 等. 双壳嵌套鱼唇式弯张换能器 [J]. 声
利用磁路分析方法研究了磁路中的磁阻元件
学学报, 2019, 44(6): 1060–1067.
对铁镓棒内部磁场的影响。分析结果表明，采用永 Liu Yongping, Mo Xiping, Chai Yong, et al. Fish-Mouth
磁体提供偏置磁场时，由于磁路中引入了高磁阻元 flextensional transducer with nested double shells[J]. Acta
件，铁镓棒内部磁场不到低磁阻磁路时的 20%，严 Acustica, 2019, 44(6): 1060–1067.
[5] Cullen J R, Clark A E, Wun-Fogle M, et al. Magnetoelas-
重影响了励磁电流的驱动效率。基于上述分析结论 ticity of Fe-Ga and Fe-Al alloys[J]. Journal of Magnetism
设计研制了铁镓 Janus-Helmholtz 换能器，采用了 & Magnetic Materials, 2001, 226–230: 948–949.
无偏场低阻磁路。进一步从非线性磁致伸缩方程 [6] Chen Y, Wang J, Jiang C. Tailoring ferroic domains by
introducing internal stress: Fe 81 Ga 19 magnetostrictive
出发，研究了无偏场条件下非线性驱动机理，建立
alloy as an example[J]. Applied Physics Letters, 2018,
了非线性驱动模型指导驱动电信号设计，并对铁镓 113(11): 112405.
Janus-Helmholtz换能器进行系列实验研究，其中包 [7] Liu J, Wang Z, Jiang C, et al. Magnetostriction under
括与采用永磁元件提供偏磁场换能器的对比实验。 high prestress in Fe 81 Ga 19 crystal[J]. Journal of Applied
Physics, 2010, 108(3): 033913.
结果表明：无偏场铁镓 Janus-Helmholtz 换能器的
[8] 李云开, 王博文, 张冰. 铁镓合金的压磁效应与力传感器的研
谐振频率为 1000 Hz，在非线性驱动下的声源级可 究 [J]. 电工技术学报, 2019, 34(17): 3615–3621.
