Page 35 - 《应用声学》2023年第6期

第 42 卷 第 6 期 王晨青等： 压电陶瓷非线性对大功率换能器结构参数匹配影响的计算分析 1145

131 0.14
130 0.12

SPL/dB 129 ᮠဋϠረဋ/% 0.10
0.08
128
127 0.06

126 0.04
60 80 100 120 140 60 80 100 120 140
d  /mm d  /mm
(a) ܦԍጟ (b) ᮠဋϠረဋ

图 6 前盖板大径对换能器声辐射性能的影响
Fig. 6 Influence of the large diameter of the front cover on the acoustic radiation performance of the transducer

130 0.034

0.032
SPL/dB 125 ᮠဋϠረဋ/% 0.030

120 0.028
0.026

115 0.024
30 35 40 45 50 55 60 30 35 40 45 50 55 60
d/mm d/mm
(a) ܦԍጟ (b) ᮠဋϠረဋ

图 7 换能器径向尺寸对换能器声辐射性能的影响
Fig. 7 Influence of the radial dimension of the transducer on the acoustic radiation performance of the transducer

言之，降低换能器晶堆前向负载，可以减小换能器谐 能器的结构参数小于线性换能器结构参数，应适当
振频率偏移率。对比图 4∼7 可知，与换能器径向尺 减小以补偿非线性引起的谐振频率偏移；线性换能
寸相比，换能器的纵向尺寸对换能器谐振偏移率的 器结构尺寸越大，压电陶瓷处于非线性工作域的换
影响更大。 能器需要调整的结构尺寸越大；相较纵向结构参数，
2.2 压电陶瓷非线性对换能器结构参数匹配的 径向结构参数需要调整的尺寸较小。
影响
2.3 辐射端匹配对压电陶瓷处于非线性工作域换
研究压电陶瓷非线性对换能器结构参数匹配
能器声辐射性能的影响
的影响。换能器其他参数取自表1，计算不同前盖板
大径、压电晶堆节面到晶堆前盖板距离和前盖板厚 研究换能器辐射端匹配对换能器非线性特性
度对换能器谐振频率的影响。结果如图 8 所示，横 及声辐射性能的影响。晶堆前负载阻抗的等效电路
坐标是各结构参数，纵坐标是频率，圆点连线为理想 图按图 2 表示，匹配层和多孔板参数取自表1。计算
线性状态的换能器谐振频率结构参数曲线 f 1 ，方块 结果如表2 所示，相同的非线性系数下，换能器加入
连线为压电陶瓷处于非线性工作域下的换能器谐 辐射端匹配可以降低换能器非线性迟滞，减小谐振
振频率参数曲线结构 f 2 。同一频率下的两条曲线之 频率偏移率。这是由于换能器辐射端加入多孔板和
间尺寸差就代表着该谐振频率换能器结构参数需 匹配层后提高了辐射端阻抗匹配，改善了压电晶堆
要调整的尺寸大小。计算结果表明，若换能器设计 前向负载特性，提高了前向负载等效质量，减少了压
频率确定，则压电陶瓷处于非线性工作域的压电换 电陶瓷非线性对换能器性能的影响。