Page 104 - 《应用声学》2025年第1期

100 2025 年 1 月

12∼15 kHz频率段最大值与最小值能量相差也小于
2 探测器多物理场耦合数值模拟分析
1 dB，说明压电陶瓷圆管的高度对振动特性和辐射
特性的影响不大，相对来说高度为80 mm 时发射响
2.1 压电陶瓷圆管尺寸变化数值模拟
应稍强。
分析了当压电陶瓷圆管置于水域时厚度、高度
与内径对其谐振频率及远场声压的影响，目前应用
160
的声波测井仪器最大直径为 96 mm，因此本文压电 150
140
陶瓷圆管内径设置变化最大值不超过90 mm。
130
2.1.1 压电陶瓷圆管厚度变化影响 120
110
保持压电陶瓷圆管其他参数不变，仅改变圆管 ԧ࠱־ऄ/dB 100 H=60 mm
H=65 mm
的厚度。图 7 为陶瓷管厚度分别取 1 mm、1.5 mm、 90 H=70 mm
80
H=75 mm
2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm时的 70 H=80 mm
60 H=85 mm
模拟结果。 50 H=90 mm
2 4 6 8 10 12 14 16 18
150 ᮠဋ/kHz
140
图 8 发射响应随压电陶瓷圆管高度变化
130
120 Fig. 8 Emission response with the height of piezo-
ԧ࠱־ऄ/dB 100 W=1.0 mm electric ceramic round tube
110
W=1.5 mm
90
W=2.0 mm
80 W=2.5 mm 2.1.3 压电陶瓷圆管内径变化影响
W=3.0 mm
70 W=3.5 mm 选取 40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、
W=4.0 mm
60
W=4.5 mm 90 mm 为压电陶瓷圆管的内直径，保持其他参数不
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 变，通过模拟计算得到如图9所示变化情况。
ᮠဋ/kHz
图 7 发射响应随压电陶瓷圆管厚度变化 160
150
Fig. 7 Emission response with the thickness of 140
piezoelectric ceramic round tube 130
ԧ࠱־ऄ/dB 100
120
图中每条曲线第一个峰值所对应的频率即为 110
换能器的基频。据图 7 可知，当其他尺寸参数一定 90
80 R=40 mm
时，随着压电陶瓷圆管厚度增大，基频增大。在低 70 R=50 mm
R=60 mm
频(小于 5 kHz) 时，1.5 mm 厚度的陶瓷管有较强的 60 R=70 mm
50 R=80 mm
发射响应，而在常规测井频率段 (12∼15 kHz)，除 40 R=90 mm
3 mm 与3.5 mm 外，其余厚度压电陶瓷圆管均有明 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
ᮠဋ/kHz
显的发射响应低点，相对来说 3.5 mm 厚度的压电
陶瓷圆管在具有更好的能量响应。 图 9 发射响应随压电陶瓷圆管内径变化
Fig. 9 Emission response with the inner diameter
2.1.2 压电陶瓷圆管高度变化影响
of piezoelectric ceramic round tube
在厚度与直径不变时分析不同高度对压电陶
瓷换能器的影响。高度分别选取 60 mm、65 mm、 相较于高度与厚度来说，内径对压电陶瓷圆管
70 mm、75 mm、80 mm、85 mm、90 mm，模拟结果 的振动和辐射特性的影响较明显。振动基频随陶瓷
如图8所示。 圆管内径的增大而减小，直径为60 mm 的陶瓷圆管
图 8 显示压电陶瓷圆管高度增大，基频略微减 在 12∼15 kHz 测井频率范围内有较好的能量响应，
小。当压电陶瓷圆管高度变化相差 30 mm 时，在 并且共振峰随直径增大向低频偏移。