Page 103 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 赵子萌等： 单极子声波测井探测器数值模拟优化设计 99

作用的耦合振动模态，单极子圆管型换能器为呼吸
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式振动模态，换能器振动发出的能量以压力波的形
式通过油腔流体介质传播到透声窗，使透声窗产生
࠮ጪ/(10 -7 S) 20 振动，进而通过外界耦合介质辐射能量。图 6 为换
能器声压分布图，若将换能器振动表面划分为许多

10 小面元，每个面元都可等效成点声源，声场中某点声
压即等于各点声源在该点产生声压的叠加，可以看
出单极子换能器在水域中以球面波形式向外辐射
能量。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
ᮠဋ/kHz
图 3 压电陶瓷圆管导纳曲线
ඵ۫ ඵ۫
Fig. 3 Admittance curve of piezoelectric ceramic ᰤ౶
round tube
૱ᑟ٨ ᤩܦቔ
1.2 单极子圆管型换能器有限元模型建立 ෴ᑿ
૱ᑟ٨
换能器工作时产生压电陶瓷的压电效应、固体
ࠫሦᣉ ࠫሦᣉ
的应力应变、流体中的声压波与固体振动形成的
声 -结构相互作用等，存在流 -固耦合、声 -固耦合等 (a)þඵ۫-ԍႃᬝၬړኮÿ (b)þඵ۫-ᤩܦቔ-ӭౝߕړኮی
വی ૱ᑟ٨-෴ᑿ-ᰤ౶ÿവی
多物理场耦合现象 [12] 。流- 固耦合是分别描述流体
图 4 二维轴对称模型
动力学和结构力学的定律之间的多物理场耦合，流
Fig. 4 2D axisymmetric model
体流动和压力场会影响结构变形，而结构变形又反
过来影响流体的流动和压力，需要将其作为双向耦
合问题进行多物理场分析；声-结构相互作用涉及两
个不同学科领域的物理场耦合 ——声学和结构力
学，声压对固体施加载荷，而结构加速度 (固体壁的
法向加速度) 会持续对流体产生激励作用。因此需
要对模型进行多物理场耦合数值模拟分析。
使用 COMSOL Multiphysics® 进行仿真的一
般步骤为：第一步，根据实际问题将复杂结构简化
为抽象几何模型；第二步，定义材料参数及单元属
性，划分合适网格，得到有限元模型；第三步，选 图 5 单极子圆管型换能器的振动模态
择物理场，设置有效边界条件，添加求解参数并进 Fig. 5 Vibration modes of monopole circular tube
行求解；第四步，对求解结果进行后处理分析。本 type transducer
文分别建立了 “水域 -压电陶瓷圆管” 和“水域 -透声
窗 -单极子圆管型换能器 -油腔 -骨架” 模型，分步研
究了结构尺寸参数对换能器性能的影响。建立模型
时，考虑换能器的结构和电压的对称性，建立换能器
1/2二维轴对称模型，如图4所示。
本例模型中，压电陶瓷的材料选取为 PZT-5A，
极化方向为径向极化。选择压电效应、声-结构边界
多物理场耦合，通过进行换能器在水域中的频域分
析，可得到换能器的振动模态以及发射响应曲线。 图 6 单极子换能器声场分布
图 5 为单极子圆管型换能器声 -压电、声 -结构相互 Fig. 6 Monopole transducer sound field distribution