Page 155 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 刘乃滔等： 相控型圆管换能器产生螺旋声场的仿真与实验分析 151

y y y
z x z x z x

(a) ᄱͯ˞0°ᄊxᣉϦౝߕ̗ၷᄊܦڤ (b) ᄱͯ˞90°ᄊyᣉϦౝߕ̗ၷᄊܦڤ (c) ːࠫϦౝߕԯҫ̗ၷᄊܦڤ

图 3 两对正交偶极子叠加产生螺旋声场的有限元仿真验证
Fig. 3 Finite element simulation verification of spiral sound field generated by superposition of two
pairs of orthogonal dipoles

因此，两对具有 90 相位差的正交偶极子叠加 其中，j 为虚数，按图 4 所示方式加电时，蓝色
◦
可以产生 x-y 平面上的螺旋声场，有限元仿真验证 通道通过将左右两部分圆管电压反接的方式实现
如图3所示。 180 的相位差，绿色通道通过将上下两部分圆管电
◦
压反接的方式实现 180 的相位差，然后通过信号源
◦
1.2 相控型圆管换能器的加电方式
设置将绿色通道的电压相较于蓝色通道的电压相
径向极化的压电圆管换能器被分为四等份，相 移90 ，即可实现相邻部分圆管激励电压存在90 相
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◦
邻部分的内外两侧银层被切开，但保持了压电圆管 位差；每部分的激励电压相位与表 1 相对应，此时可
的完整性。然后对压电圆管换能器的四部分分别施 以产生螺旋声场。
加 0 、90 、180 、270 相位的电压，使得圆管相邻
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2 相控型圆管换能器的有限元仿真
两部分存在 90 的相位差。压电圆管的加电方式如
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图 4 所示。其中，每部分圆管施加的激励电压如表1
2.1 相控型圆管换能器的基本结构
所示。
径向极化压电圆管换能器被分为四个部分，相
邻部分的银层被切开，但保证了压电圆管的完整
j(V)
性。压电圆管的具体参数如表 2 所示。其三维结构
如图 5所示。
表 2 压电圆管几何参数
Table 2 Geometric parameters of piezo-
1(V)
electric tube

压电圆管内径/mm 压电圆管外径/mm 压电圆管高度/mm
61 66 20

图 4 压电圆管加电方式
Fig. 4 Charging mode of piezoelectric circular
tube

表 1 压电圆管每部分激励电压
Table 1 Excitation voltage of each part of z
y x
the piezoelectric tube
图 5 相控型圆管换能器的三维结构图
右侧部分 上侧部分 左侧部分 下侧部分
Fig. 5 Three-dimensional structure diagram of a
激励电压/V e j0 e jπ/2 e jπ e j3π/2 phased circular tube transducer