Page 96 - 《应用声学》2023年第4期

758 2023 年 7 月

差异，并对其进行对比分析。两种换能器的具体 77 mm，接线方式完全一致。本文第3节进一步考察
结构参数如表 1 所示。两种换能器的压电陶瓷片材 四极子发射换能器的结构参数对其声学性能的影
料为 PZT-5A，金属基片张开角为 90 ，外径 R 均为 响，具体结构参数如表1所示。
◦
表 1 换能器结构参数
Table 1 Parameter list of transducer structure

压电陶瓷片的 压电陶瓷片的 金属基片的 金属基 压电陶瓷片
换能器类型
厚度 D/mm 高度 H/mm 厚度 T/mm 片材料 开角 α/( )
◦
现用的随钻四极子
5 40 无 无 80
发射换能器
瓦片弯曲振动换能器 5 40 2 铜 80

1.2 随钻四极子换能器的振动性能分析

在数值模拟中，用于固定换能器两端金属的内
外表面施加固定位移值约束条件，即径向位移值、切
向位移值及轴向位移值均为零；而压电陶瓷片不施
加任何约束条件，处于自由边界条件。对于现用的随
(a) ဘၹᄊᬤᨛپౝߕԧ࠱૱ᑟ٨
钻四极子发射换能器，需要固定换能器外层封装材
料的上下两端，压电陶瓷片同样处于自由边界条件。
利用 COMSOL Multiphysics 软件进行模态分
析。初步计算结果表明在 10 kHz 以下两种换能器
振动模式均为一阶弯曲振动模态。其中现用的随钻
四极子发射换能器一阶弯曲振动模态谐振频率为
1.4 kHz，而金属基片结构换能器一阶弯曲振动模态 (b) ᧛࡛۳ྟፇ౞૱ᑟ٨
谐振频率为5.5 kHz，增加金属基片材料可以使换能 图 2 两种换能器弯曲振动位移值矢量
器一阶弯曲振动模态谐振频率向高频移动。 Fig. 2 Displacement vector of bending vibration
图 2 为两种换能器弯曲振动的位移值矢量图。
从图 2(a) 可以看出，换能器中部沿径向向外膨胀 1.2 1.2
G-᧛࡛۳ྟፇ౞૱ᑟ٨
的同时两端沿径向向内收缩，产生振动反相。从 1.0 B-᧛࡛۳ྟፇ౞૱ᑟ٨ 1.0
G-ဘၹᄊᬤᨛپౝߕ૱ᑟ٨
图 2(b) 可以看出，该换能器由于金属两端处于钳定 0.8 B-ဘၹᄊᬤᨛپౝߕ૱ᑟ٨ 0.8
状态，换能器的中部沿径向向外膨胀或者收缩，两端 0.6 0.6 B/mS
的位移值很小。对比分析两种模型，现用的随钻四 G/mS
极子发射换能器弯曲振动谐振频率很低，且位移值 0.4 0.4
分布不利于产生近场四极子声场；而金属基片结构 0.2 0.2
换能器的谐振频率与随钻四极子声波测井所需的 0 0
激发频率接近，且该位移值分布可产生较理想的近 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
场四极子声场。 ᮠဋ/kHz

1.3 随钻四极子换能器的频响特性分析 图 3 两种换能器在空气中的导纳曲线
Fig. 3 Admittance curves of two model transduc-
对换能器进行频响特征分析，分别得到两种换
ers in air
能器在空气中的导纳特性曲线，如图 3 所示。从图
中可以看出，现用的随钻四极子发射换能器并没有 图 4 所示的是两种换能器在各自的谐振频率、
激励出一阶弯曲振动，辐射效率很低；而金属基片结 不同位置处 3 个方向上的位移值分布。从图 4(a) 可
构换能器一阶弯曲振动谐振频率在5.5 kHz，对应的 以看出，现用的随钻四极子发射换能器的径向位移
电导值为0.32 mS。 值、切向位移值、轴向位移值沿换能器中心点呈对