Page 151 - 《应用声学》2024年第6期

第 43 卷 第 6 期 赵志钢等： 1-3 型压电复合材料性能及声场特性分析 1327

(129.5 kHz 附近)，再增加至 4.2 左右 (145 kHz 附 1.3 声场特性
近)，曲线整体变化趋势一致。但是观察其放大图可
对于理想状态模型，如图 3(a) 所示，声场整体
以看出，单一增加压电柱高度时，对数阻抗曲线向
由 1 束主瓣、8 束旁瓣组成，主瓣处于正中心位置呈
左偏移；单一增加宽度或长度时，对数阻抗曲线向
倒圆锥体，旁瓣在其周围四个方向出现，并与压电材
右偏移。同时增加长宽高时，在 127∼128 kHz 以及
134∼135 kHz 的区间内，对数阻抗曲线存在小的杂 料平面成一定的角度。如图3(b)、图3(c)所示，在模
峰。这表示复合材料中压电柱尺寸不一致会对复合 型中心平面 z 轴正方向上，声压先增大后减小，聚焦
材料阻抗特性产生影响。 后未出现发散现象。

኎ϙ᭧ ঴ܦԍ(Pa) ᛫᭧ ঴ܦԍ(Pa) ѭ᭧ ঴ܦԍ(Pa)
10 Pa
5 mm 30 Pa mm Pa
0 -5 30 13.7 20 10 0 20 mm 5 -5 0 5 10 30 20
13.74
mm
freq(30)=129.5 kHz 10 mm -1.63 0 10 mm 10 20 mm 10
10.67
15
15
7.59
4.52
20
5
5
1.45
0
0
-7.78
-10
-10
0 -4.70 -10 -5 10 -5
-10.85
z
y -13.93 z 5 10 -15 z -15
x 5 10 -13.9 y x 0 mm
0 -5 -20 y
-5 mm x 0 -20
(a) ܦԍ኎ϙ᭧ڏ (b) ᰴए᛫᣺र (c) ܦԍ̈ڏ
图 3 理想状态下的声场
Fig. 3 Ideal sound field
当高度增加时，如图 4(a)、图4(b) 所示，声场整 当增加长度时，如图 6(a)、图6(b) 所示，声场分
体往加厚压电柱偏转，对称性变差，主瓣形状由圆锥 布与理想状态相似，但主瓣、旁瓣往加长压电柱一
体变为椭圆锥体，而未加厚压电柱一侧的旁瓣波束 侧的反方向偏转，复合材料侧面同样存在杂波。如
增大且向主波束偏转，导致主波束畸形，而复合材料 图 6(c)所示，加长压电柱附近声波强度较小，且最高
侧面出现无规律的杂波，说明压电柱振动耦合效果 声压处偏向远离加长压电柱的一侧，与宽度变化引
变差。如图 4(c) 所示，加厚压电柱附近声压强度小 起的声场方向变化正好相反。这是由于长度增加，
于正常压电柱产生的声压。可知当单一改变压电柱 导致两侧环氧树脂填充物宽度减小。在环氧树脂伸
的高度时，其谐振频率发生偏移，当以理想模型的谐
缩率不变、宽度减小的情况下，其可伸缩范围减小，
振频率驱动压电复合材料时，其振幅降低，导致产生
导致其对压电柱约束增强。因此当单一改变压电柱
的声压强度降低，同时其上表面将高于其他压电柱
的长度时，其振幅将变小，产生的声波强度变弱，最
上表面，声波的叠加规律被破坏，导致声波形状、方
终使压电复合材料的声场向加长压电柱一侧的反
向以及聚焦位置产生变化。
方向偏转。
当增加宽度时，如图 5(a)、图5(b) 所示，声场分
当将压电复合材料的左侧中间位置的压电柱
布与理想状态相似，但主瓣、旁瓣往加宽压电柱偏
的长宽高各增加 0.08 mm 时，如图 7(a)、图 7((b) 所
转，复合材料侧面出现杂波。如图5(c)所示，加宽压
示，主瓣、旁瓣均往尺寸变化的压电柱一侧偏转，且
电柱附近声波强度更强，且最高声压处偏向加宽压
偏转角度大于单一改变长宽高的压电复合材料声
电柱一侧。宽度增加几乎不改变压电柱谐振频率，
但部分压电材料未被环氧树脂包裹，其压电性能提 场，同时侧面杂波明显增多。如图7(c)所示，尺寸变
高，在相同的激励频率下其产生的振幅更大，导致其 化的压电柱附近产生的声波强度更强，主波束聚焦
产生的声波强度增加，最终引起压电复合材料的声 位置偏向变化压电柱一侧。说明当同时改变长宽高

场向其一侧偏转。 时，三者对其声场的影响具有叠加性。