两种低频换能器结构性能有限元研究
钹式换能器的共振特性研究
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔｗｏ － ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ａ ｘ ｉ ｓ ｙ ｍｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｍｏ ｄｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｙ ｍｂ ａ ｌ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ｗａ ｓ ｆ ｏｕ ｎ ｄ ｅ ｄ ｂ ｙ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ￣ＡＴＩ ＬＡ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ， ｔ ｈｅ ｄｉ ｓ ｃ ｉ ｐ ｌ ｉ ｎｅ ｗａ ｓ ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕｅ ｎ ｃ ｙ ｏ ｆ ２ ｋ Ｈｚ ｔ ｏ １ ８ ０ ｋ Ｈｚ ｃ ｙ ｍｂａ ｌ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｃ ｏ ｐｉ ｎｇ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ，ｔ ｈｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ
结果表明， 共振频率随着空腔顶部 直径和空腔底部直径与空腔顶部直径之比的增大而减小 ， 空腔顶部 直径越大 ， 共振频率变化范 围越小 ， 变 化越 不明显 ， 共振频率随着压电陶瓷片直径与空腔底部直径之 比的增大几乎呈线性变化关系 ， 压 电陶瓷 片直径与空腔底部直径之差 的变化 对共振频率 的影响不大 ， 以上结论 为设计不 同共振频率的钹式换能器提供了理论依据 。 关键词 钹式换能器 ； 结构参数 ；共振频率 ；有限元
超声轴承用压电换能器结构设计与有限元分析
第３ ６ 卷第１ 期
２ ０ １ ４ 年Ｏ ２ 月
压
电
与
声
光
Ｖｏ １ ． ３ ６ Ｎｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ．２ Ｏ １ ４
Ｐ Ｉ ＥＺ ＯＥＬＥ ＣＴＲＩ ＣＳ ＆ ＡＣ０Ｕ Ｓ ＴＯ０Ｐ ＴＩ ＣＳ
文章编号 ： １ ０ ０ ４ — ２ ４ ７ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ 承 用压 电换 能 器 结 构 设 计 与 有 限元 分析
李东 明 ， 崔 爽 ， 丛琳 皓 ， 王 道 顺 ， 崔玉 国
（ １ ．大 连 交 通 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ８ ； ２ ． 宁波大学 机械工程与力学学 院， 浙江 宁波 ３ １ ５ ２ Ｉ １ ）
ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｗａ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ． Ｔｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｎ ｅ ｗ ｔ ｙ ｐ ｅ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｅ ｘ ｔ ｒ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｐ ｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ， ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｍｅ —
水声发射换能器技术研究综述
水声发射换能器技术研究综述
周利生;胡青
【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》
【年(卷),期】2010(031)007
【摘要】水声发射换能器种类繁多,通常按工作频率加以区分.在低频段给出了几种工程上常用的低频大功率换能器的结构形式,并讨论了提高换能器工作极限的技术途径,同时还指出速度控制对低频声基阵的重要性.在中频段主要给出了拓展换能器工作带宽的各种结构形式及一种新的设计方法,并讨论了新材料应用及宽带匹配技术.在高频段给出了陶瓷颗粒簇匹配层换能器的等效电路,同时分析了高频换能器基阵机电一体化设计的发展趋势.结果表明,新结构、新材料、新工艺仍是推动水声发射换能器不断发展的技术途径.
【总页数】6页(P932-937)
【作者】周利生;胡青
【作者单位】杭州应用声学研究所声纳技术重点实验室,浙江杭州310012;杭州应用声学研究所声纳技术重点实验室,浙江杭州310012
【正文语种】中文
【中图分类】TB565.1
【相关文献】
1.一种新型水声发射换能器的结构设计 [J], 吴伟炜;秦雷;李莉;董天晓;王丽坤
2.Cymbal单元的薄型低频宽带水声发射换能器设计 [J], 唐俊;秦雷;王同庆
3.一种上半空间指向性的水声发射换能器结构设计 [J], 孙昕;周益明;张世海
4.宽带水声发射系统换能器分段匹配方法研究 [J], 陈友淦;许肖梅;雷开卓;黄建国
5.水声换能器发射性能的有限元分析 [J], 杜贻群;张恺
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
电磁超声兰姆波检测技术的应用
电磁超声兰姆波检测技术的应用作者：苏欣来源：《电脑迷·中旬刊》2018年第03期摘要：随着材料科学和机械制造业的高速发展，板材在航空航天工业、汽车工业、船舶工业以及压力铝炉等方面均有广泛的应用，因此，对材料进行快速、全面的质量安全检测是不可缺少的环节。
由于超声波具有穿透能力强、方向性好、灵敏度高等优点，超声检测技术己被广泛应用于工业及高技术产业中，而有限元模拟研究也验证了兰姆波检测方法的可行性。
关键词：兰姆波；检测方法；有限元分析；工业应用；无损检测1 电磁超声兰姆波的优点（1）Lamb 波在板内传播距离远，衰减小的特点，能够进行大面积检测；（2）Lamb 波在板内传播会发生频散，对障碍物比较敏感；（3）Lamb 波在弯曲板内可以继续传播，实现对产品的隐蔽处进行检测。
以上的优点决定Lamb 波在超声无损检测中占有独特的发展优势。
2.2 兰姆波的激发从理论上讲，Lamb波的激发方式有板表面激励和板的一端激励，激发Lamb波的换能器一般有两种：梳状换能器和楔型换能器。
（1）梳状换能器梳状换能器由体波换能器粘接在一梳状结构上形成，让梳状结构的周期间隔等于欲激发Lamb波的波长即可。
梳状换能器检测示意图（2）楔形换能器最常用激励和接收Lamb波的换能器是基于一致性原理的楔形压电陶瓷换能器（图2.3）激励换能器经过藕合介质产生波长为入的平面波，则在板中欲激发波的波长为2.3 兰姆波的特性2.3.1 兰姆波的数学模型建立在无限大薄板中，板厚为2b，b与超声波波长的数量级相接近。
假设板的上、下两界面是自由的。
在板中传播的兰姆波的频率方程如下：对称模式：反对称模式：式中：k0为沿板水平方向的波数，w为角频率，b为1/2板厚，Cl为纵波速度， Cs为横波速度。
式（2-1）、（2-2）就是著名的瑞利-兰姆（Rayleigh-Lamb）频率方程。
此方程确定了板中兰姆波传播速度与特定频厚积（fd）的关系。
兰姆波在板状结构中传播时，其质点发生复杂的振动，其传播特性取决于材料的参数、板厚和振动频率。
双自由度共振消声器及其控制研究
双自由度共振消声器及其控制研究作者：陈龙虎吕海峰郭俊娜张景惠马智宇来源：《振动工程学报》2022年第02期摘要：提出一种具有可调双消声波峰的压电式消声器，可依据降噪要求来调节电压和穿孔率大小，实现两个低频段的声波吸收可调谐。
运用Comsol声固耦合模块计算消声结构参数对频移特性影响的规律：穿孔率减小，双消声峰向低频偏移，第二消声峰的幅值和频率范围明显减小，反共振点位置不变;膜厚增加，第一阶消声峰值基本不变，第二阶消声峰值向低频偏移。
分析了不同加载电压下的压电薄膜位移变化情况，搭建实验平台测试不同电压条件下结构的传输特性，基于逆压电效应的压电薄膜可以有效地抑制或增强膜的振动响应，改变反共振点位置，电压由0增加到300 V，第一消声峰值频率向高频偏移85 Hz，第二消声峰向高频域移动了125 Hz。
关键词：共振消声器;双自由度;压电薄膜;可调频中图分类号： TB535+.2 文献标志码： A 文章编号： 1004-4523（2022）02-0426-08DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2022.02.018引言低频噪声的特征谱线明显，衍射能力强，能量衰减慢，对工业生产和人们生活环境带来了很大的危害，低频噪声高效、稳定、持续的吸收和衰减一直是一个亟待解决的难题[1]。
近年來，利用超材料薄膜和人工周期结构来调整和控制声波传播的想法受到了广泛的关注[2⁃5]，对不同类型的声学材料，如薄膜型超材料[6⁃8]、空间折叠型超材料[9⁃11]、声学超表面[12⁃13]等进行了深入的研究。
这些超材料表现出有趣的声学特性，如消声、带隙、负有效质量和负模量等。
Huang[14]将管路中的一段刚性壁替换为柔性薄膜，研究流管声传播特性;发现当声波流经薄膜时，声波的弹性与薄膜耦合，很大程度上降低管内波速，波速的骤降引起膜与刚性壁交界处发生了声反射和散射。
为了防止声泄露，Huang[15]在柔性薄膜外附加扩张腔室，通过无限个傅里叶积分表示导管内的声场和腔，然后代入膜结构中来确定压力场，但这种方法不具有一般性。
引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析
引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析1 引言目前IC器件在各个领域的应用越来越广泛，对封装工艺的质量及检测技术提出了更高的要求，如何实现复杂封装的工艺稳定、质量保证和协同控制变得越来越重要。
目前国外对引线键合工艺涉及的大量参数和精密机构的控制问题已有较为深入的研究，并且已经在参数敏感度和重要性的排列方面有了共识。
我国IC封装研究起步较晚，其中的关键技术掌握不足，缺乏工艺的数据积累，加之国外的技术封锁，有必要深入研究各种封装工艺，掌握其间的关键技术，自主研发高水平封装装备。
本文将对引线键合工艺展开研究，分析影响封装质量的关键参数，力图为后续的质量影响规律和控制奠定基础。
2 引线键合工艺WB随着前端工艺的发展正朝着超精细键合趋势发展。
WB过程中，引线在热量、压力或超声能量的共同作用下，与焊盘金属发生原子间扩散达到键合的目的。
根据所使用的键合工具如劈刀或楔的不同，WB分为球键合和楔键合。
根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合。
根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。
冷超声键合常为铝线楔（xiē）键合。
热超声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。
2.1 键合质量的判定标准键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。
通常使用键合拉力测试（BPT）、键合剪切力测试（BST）。
影响BPT结果的因素除了工艺参数以外，还有引线参数（材质、直径、强度和刚度）、吊钩位置、弧线高度等。
因此除了确认BPT的拉力值外，还需确认引线断裂的位置。
主要有四个位置：⑴第一键合点的界面；⑵第一键合点的颈部；⑶第二键合点处；⑷引线轮廓中间。
BST是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力。
剪切力测试可能会因为测试环境不同或人为原因出现偏差，Liang等人 [1]介绍了一种简化判断球剪切力的方法，提出简化键合参数（RBP）的概念，即RBP=powerA ×forceB×timeC ，其中A，B，C为调整参数，一般取0.80， 0.40，0.20。
引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析
引线键合工艺参数对封装质量的影响因素分析目前IC器件在各个领域的应用越来越广泛，对封装工艺的质量与检测技术提出了更高的要求，如何实现复杂封装的工艺稳定、质量保证和协同控制变得越来越重要。
目前国外对引线键合工艺涉与的大量参数和精密机构的控制问题已有较为深入的研究，并且已经在参数敏感度和重要性的排列方面有了共识。
我国IC封装研究起步较晚，其中的关键技术掌握不足，缺乏工艺的数据积累，加之国外的技术封锁，有必要深入研究各种封装工艺，掌握其间的关键技术，自主研发高水平封装装备。
本文将对引线键合工艺展开研究，分析影响封装质量的关键参数，力图为后续的质量影响规律和控制奠定基础。
2. 引线键合工艺WB随着前端工艺的发展正朝着超精细键合趋势发展。
WB过程中，引线在热量、压力或超声能量的共同作用下，与焊盘金属发生原子间扩散达到键合的目的。
根据所使用的键合工具如劈刀或楔的不同，WB分为球键合和楔键合。
根据键合条件不同，球键合可分为热压焊、冷超声键合和热超声键合。
根据引线不同，又可分为金线、铜线、铝线键合等。
冷超声键合常为铝线楔键合。
热超声键合常为金丝球键合，因同时使用热压和超声能量，能够在较低的温度下实现较好的键合质量，从而得到广泛使用。
2.1 键合质量的判定标准键合质量的好坏往往通过破坏性实验判定。
通常使用键合拉力测试（BPT）、键合剪切力测试（B ST）。
影响BPT结果的因素除了工艺参数以外，还有引线参数（材质、直径、强度和刚度）、吊钩位置、弧线高度等。
因此除了确认BPT的拉力值外，还需确认引线断裂的位置。
主要有四个位置：⑴第一键合点的界面；⑵第一键合点的颈部；⑶第二键合点处；⑷引线轮廓中间。
BST是通过水平推键合点的引线，测得引线和焊盘分离的最小推力。
剪切力测试可能会因为测试环境不同或人为原因出现偏差，Liang等人 [1]介绍了一种简化判断球剪切力的方法，提出简化键合参数（RBP）的概念，即RBP=powerA ×forceB×timeC，其中A，B，C为调整参数，一般取0.80， 0.40，0.20。
匹配层结构Tonpilz水声换能器的有限元分析
第３ ４卷
第 ２期
四 川 兵 工 学 报
２ ０ １ ３年 ２月
ｄ ｏ ｉ ：１ ０． １ １ ８ ０ ９ ／ｓ ｃ ｂ ｇ ｘ ｂ ２ ０１ ３ ． ０ ２． ０１ ７
【 武器装备理论与技术】
匹 配 层 结 构 Ｔ ｏ ｎ ｐ ｉ ｌ ｚ 水 声 换 能 器 的 有 限 元 分 析
ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｉ ｍｐｅ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉｓ ｒ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ａ ｎｄ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｂ ａ ｎ ｄ— ｗｉ ｄ ｅ ｎ ｉ ｎｇ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ７ １ ２
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ６— ０ ７ ０ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２—０ ０ ５ ４— ０ ３
ＦＥＭ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｔｏ ｎｐ ｉ ｌ ｚ Ａｃ ｏ ｕｓ ｔ ｉ ｃ Ｔｒ ａ ｎｓ ｄ ｕｃ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ Ｍａ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎｇ Ｌａ ｙ ｅ ｒ
磁致伸缩-压电混合激励Janus换能器结构特征参量与纵振频率之间的关系
磁致伸缩-压电混合激励Janus换能器结构特征参量与纵振频
率之间的关系
刘文钊;柴勇;莫喜平
【期刊名称】《应用声学》
【年(卷),期】2022(41)2
【摘要】为了拓宽Janus换能器的工作频带,使用超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为混合激励元件驱动Janus换能器,研究了其结构特征参量与纵振频率之间的关系。
首先归纳了磁致伸缩-压电混合激励Janus换能器的12个结构特征参量。
随后通过模态分析,证明换能器具有两种纵振动模态。
最终经过有限元仿真计算,总结分析了结构特征参量变化对两种纵振动模态频率的影响规律。
研究结果为如何通过调整结构特征参量实现多模态耦合并拓宽此型换能器的工作频带提供了一定依据。
【总页数】6页(P257-262)
【作者】刘文钊;柴勇;莫喜平
【作者单位】中国科学院声学研究所;中国科学院大学;北京海洋声学装备工程技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TB565.1
【相关文献】
1.压电/超磁致伸缩混合式宽带纵振换能器的线性数学模型
2.稀土超磁致伸缩换能器的谐振频率分析
3.超磁致伸缩超声换能器的结构与谐振频率分析
4.不对称盖板磁致伸缩发射型换能器谐振频率方程
5.磁致伸缩式换能器谐振频率的计算
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
1-1-3型压电复合材料宽带换能器
1-1-3型压电复合材料宽带换能器蓝宇;张凯【摘要】The matching layer is commonly used to expand the bandwidth of 1 - 3 piezocomposite transducers. But as time passes, the performance of matching layers will change, this change may cause performance instability of the transducer. By applying the concept of single-ended excitation to 1 -3 piezocomposite material, a new piezocomposite structure, that is 1-1-3 piezocomposite material, was achieved. The finite element model of a 1-1-3 piezocomposite transducer was set up with ANSYS software and the structure of the transducer was optimized. A final 1 -1-3 piezocomposite transducer was designed which used the first, second, and third thickness modes. The bandwidth of the transducer was 112-450kHz, in which the peak transmitting voltage response was 174dB. Several conclusions can be reached from the research: The bandwidth of piezocomposite transducers can be expanded by the first, second, and third thickness modes. Also, a method was given to achieve the broad-band projection performance of a high-frequency transducer.%1-3型压电复合材料换能器带宽的拓展一般采用匹配层的方法,但匹配层的特性会随着时间的变化而变化,这会造成换能器性能的不稳定.将单端激励的原理引入1-3型压电复合材料,提出了一种新的压电复合材料结构,即1-1-3型压电复合材料.应用ANSYS软件建立1-1-3型压电复合材料换能器的有限元模型,然后进行结构优化,最终制作了一个利用一阶、二阶和三阶厚度振动模态的1-1-3型压电复合材料宽带换能器,其工作带宽为112 kHz～450 kHz,发送电压响应最大值为174 dB.研究结果表明:利用1-1-3型压电复合材料的一阶、二阶和三阶厚度振动模态可以拓展压电复合材料换能器的带宽,同时也给出了一种高频换能器实现宽带发射的方法.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2011(032)011【总页数】5页(P1479-1483)【关键词】1-1-3型压电复合材料换能器;单端激励;宽带;有限元法【作者】蓝宇;张凯【作者单位】哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声技术国家级重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;杭州应用声学研究所,浙江杭州310012【正文语种】中文【中图分类】TB5651-3型压电复合材料换能器具有很多优点［1］:其重量轻、易于共形、声阻抗率低、利用其制作的换能器的有效机电耦合系数高、接近于压电陶瓷相的k33.20世纪70年代末，美国宾州州立大学的Newnham教授首先提出了1-3型压电复合材料的概念［2］，在此基础上人们对其做了广泛的研究［3］.同时人们对1-3型压电复合材料在水声换能器上的应用也做了很多研究工作.美国的Thomas R.Howarth 制作了尺寸为254 mm×254 mm×6.35 mm的大面积1-3型压电复合材料换能器［4］.美国水下作战中心的Kim C.Benjamin利用1-3型压电复合材料制作了直径为76 cm的参量阵，名为USRD-82［5］.英国的S.Cochran等人在1-3型单晶压电复合材料前加匹配层制作了带宽超过一个倍频程的水声换能器［6］.土耳其的I.Ceren Elmash在1-3型压电复合材料前加匹配层制作了宽带、宽波束的水声换能器，该换能器可以应用于水声通信领域［7］.韩国的Zhi Tian等人利用在1-3型压电复合材料圆管外表面加匹配层制作了宽带圆管换能器［8］.本文将单端激励的原理引入1-3型压电复合材料中，在此基础上提出了一种1-1-3型压电复合材料结构，并且利用有限元方法，运用大型有限元软件ANSYS分析了1-1-3压电复合材料的频率特性和阻抗特性，利用1-1-3型压电复合材料的一阶厚度振动模态、二阶厚度振动模态和三阶厚度振动模态的耦合设计并制作了带宽为2个倍频程的1-1-3型压电复合材料宽带换能器.从而也解决了高频换能器(频率大于100 kHz)实现宽带发射的难点.1 1-1-3型压电复合材料的概念1-1-3型压电复合材料是由一维连通的压电小柱和一维连通的金属小柱平行排列于三维连通的聚合物基体中而构成的三相压电复合材料，压电小柱的极化方向与压电小柱高度方向相同.常用的压电小柱材料有PZT4、PZT5和弛豫铁电单晶等;常用的金属小柱材料有钢、铝和铜等;常用的聚合物材料有环氧树脂、聚氨酯和聚亚胺酯等.1-1-3型压电复合材料的示意图如图1所示.图1 1-1-3型压电复合材料示意Fig.1 Schematic representation of 1-1-3 piezocomposite material2 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作原理在两端自由的条件下，压电小柱纵向振动的基频公式为式中:c为压电小柱纵向振动的声速，l为压电小柱的长度.压电小柱高阶纵向振动模态频率的公式为通常，压电换能器的压电陶瓷堆之间是并联连接的，如图2所示，如果将其分为左右2个部分，其振动是同相的，也就是同时扩张或收缩，因此称图2(a)所示的激励方式为左右同相激励.由于同相激励只能激励出位移对称的奇数阶纵向振动模态，无法激励出偶数阶模态.因此，在第2阶纵向振动模态的谐振频率处端面的位移很小，发送电压响应曲线上出现了一个很深的凹谷，如图3(a)曲线1所示.为了激励出第2阶纵向振动模态，须采用如图2(b)所示左右反相激励，其发送电压响应曲线如图3曲线2所示.如果，将2种激励叠加在一起，如图2(c)所示，其效果与图2(d)相同，相当于单端激励，此时，前三阶纵向振动模态全部被激励出来，发送电压响应如图 3(b)所示，比较平坦［9］.图2(d)也可以代表1-1-3型压电复合材料的复合小柱，其左端为压电陶瓷小柱，右端为金属小柱，也相当于单端激励，其发送电压响应与图3(b)类似，有效地拓宽了压电复合材料换能器的带宽.图2 压电陶瓷堆的不同激励方式Fig.2 Different excitations of piezoelectric ceramic stack图3 不同激励方式下的发送电压响应Fig.3 The transmitting voltage response under different excitations3 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的有限元分析3.1 有限元分析的理论基础利用ANSYS建立的整个1-1-3型压电复合材料换能器有限元模型的运算时间会很长，由于1-1-3型压电复合材料具有二维周期性的特点，因此可以通过分析1-1-3型压电复合材料中的一个周期的性能来分析1-1-3型压电复合材料换能器的性能.在1-1-3型压电复合材料换能器中，除了边缘处的周期单元，其他单元的负载基本相同，此时只需分析其中的一个周期单元.这样可以认为单个周期单元处于一刚性壁波导中的一端，而在波导的另一端施加边界条件.然后，可以利用ANSYS软件计算出波导水柱中的声压.最后可以利用波导中的声压得出1-1-3型压电复合材料换能器的远场声压.而波导中的波可视为声压为pp和质点振速为pp/ρc的平面波.假设所有周期法向振速相同，ρc负载相同，那么由功率守恒原理可得，1-1-3型压电复合材料换能器的总辐射功率为所有周期辐射功率之和:式中:N为周期数，A为单个周期面积.由指向因素的概念可知，上述功率与远场声强的关系为式中:距离1-1-3型压电复合材料换能器声轴方向r处的远场声压为p.由于平面活塞辐射器的指向性因素［10］为从而可得pp(ANSYS计算的值)与p(1-1-3型压电复合材料换能器轴向远场声压)的关系为由于1-1-3型压电复合材料换能器的边缘周期声负载比中间周期的小，式(6)只是一个近似解.因此解的精确性依赖于边缘周期的数量.3.2 有限元模型的建立在分析时只建立一个周期(一个周期包含一根压电陶瓷小柱、一根金属小柱及其周围的环氧树脂)的有限元模型，在边界上施加一定边界条件来模拟整个1-1-3型压电复合材料换能器.利用ANSYS软件来建模，压电小柱为PZT4，金属小柱为黄铜，聚合物相为环氧树脂，复合材料圆片的厚度为12 mm，周期数为204个.最终制作的换能器辐射面灌注环氧树脂胶层.为节省计算时间，只建立了一周期的1/4有限元模型，流体域为一刚性壁波导，如图4所示.图4 1-1-3型压电复合材料宽带换能器一个周期的1/4有限元模型Fig.4 Theone-fourth finite element model for a unite cell of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer3.3 模态分析通过对1-1-3型压电复合材料一个周期的有限元模型进行模态分析，可得到1-1-3型压电复合材料的厚度共振频率和模态振型.图5为1-1-3型压电复合材料一个周期的振动位移矢量图，其一阶厚度振动位移矢量图如图5(a)所示，模态频率为138 kHz;二阶厚度振动位移矢量图如图5(b)所示，模态频率为280 kHz;三阶厚度度振动位移矢量图如图5(c)所示，模态频率为454 kHz.图5 1-1-3型压电复合材料的厚度共振模态Fig.5 The thickness model of the1-1-3 piezocomposite material3.4 谐波响应分析利用ANSYS软件提供的谐波响应分析模块，计算出换能器在水中的导纳曲线，如图6所示.图6 1-1-3型压电复合材料宽带换能器在水中的导纳曲线Fig.6 The admittanceof the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer in water从图6可知:1-1-3型压电复合材料宽带换能器在水中的电导最大值为4.5 m，该处谐振频率为280 kHz.利用ANSYS软件提供的流固耦合分析功能，提取刚性壁波导中一个节点上的声压，再由式(6)得出整个1-1-3型压电复合材料宽带换能器的远场声压，根据发送电压响应的定义计算换能器水中的发送电压响应曲线，如图7所示.图7 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的发送电压响应曲线Fig.7 The transmitting voltage response of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer从图7可知:1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作带宽为125～490 kHz，发送电压响应最大值为171 dB.4 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的试验分析按照设计尺寸制作了1-1-3型压电复合材料宽带换能器，如图8所示，图的左侧为1-1-3型压电复合材料，右侧为1-1-3型压电复合材料宽带换能器.图8 1-1-3型压电复合材料宽带换能器示意Fig.8 Schematic representation of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer利用HP4194阻抗分析仪测量了换能器在空气中和水中的频率特性和阻抗特性，如图9所示.图9 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的测试导纳Fig.9 The measured admittance of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer图9(a)为1-1-3型压电复合材料的导纳图，其一阶厚度谐振频率为127 kHz，电导峰值为4.1 mS;其二阶厚度谐振频率为 285 kHz，电导峰值为16.5 mS;其三阶厚度谐振频率为414 kHz，电导峰值为2.3 mS.图9(b)为1-1-3型压电复合材料宽带换能器水中的导纳图，其一阶厚度谐振频率为125kHz，电导峰值为1.7 mS;其二阶厚度谐振频率为292 kHz，电导峰值为9.1 mS;其三阶厚度谐振频率为 416 kHz，电导峰值为 1.6 mS.在水池利用脉冲法测量s了换能器的发送电压响应，其结果如图10所示.由图可知测得的1-1-3型压电复合材料宽带换能器的工作带宽为112～450 kHz，发送电压响应峰值为174 dB.图10 1-1-3型压电复合材料宽带换能器的测试发送电压响应曲线Fig.10 The measured transmitting voltage response of the 1-1-3 piezocomposite broad-band transducer对比测试结果与计算结果，可以看出，无论是导纳曲线还是发送电压响应曲线，计算与测试的趋势基本一致，但还存在一定的误差.这是因为:1)制作的1-1-3型压电复合材料的结构尺寸存在误差，这就使得实测的频率特性与计算的频率特性有一定的差异;2)利用3.1节的有限元算法存在误差导致实测的发送电压响应与计算的发送电压响应有一定的差异.5 结束语本文基于单端激励的思想，提出了一种新的压电复合材料结构，即1-1-3型压电复合材料，并且利用其制作了一个工作带宽为112～450 kHz，发送电压响应最大值为174 dB的高频宽带水声换能器.上述工作表明利用1-1-3型压电复合材料的一阶厚度振动模态、二阶厚度振动模态和三阶厚度振动模态的耦合可以制作高频宽带水声换能器，同时也给出了一种高频换能器实现宽带发射的方法.参考文献:【相关文献】［1］李邓化，居伟骏，贾美娟，等.新型压电复合材料换能器及其应用［M］.北京:科学出版社，2007:6-7.［2］NEWNHAM R E，SKINNER D P，CROSS L E.Connectivity and piezoelectric-pyroelectric composites［J］.Mat Res Bull，1978，13(5):525-536.［3］TRESSLER J F，ALKOY S，DOGAN A.Functional composites for sensors，actuators，and transducers［J］.Composites，1999，Part A 30:477-482.［4］HOWARTH T R，TING R Y.Electroacoustic evaluations of 1-3 piezocompositesonopanel materials［J］.IEEE Trans Ultrason Ferroelec Freq Contr，2000，47(4):886-894. ［5］BENJAMIN K C，PETRIE S.The design，fabrication，and measured acoustic performance of a 1-3 piezoelectric composite navy calibration standard transducer［J］.J Acoust Soc Am，2001，109(5):1973-1978.［6］COCHRAN S，PARKER M，FRANCH P M.Ultrabroadband single crystal composite transducers for underwater ultrasound［C］//Ultrasonics Symposium，2005 IEEE.［s.l.］，2005:231-234.［7］ELMASH I C，KOYMEN H.A wideband and a wide-beamwidth acoustic transducer design for underwater acoustic communications［C］//Oceans 2006-AsiaPacific.Singapore，2007:1-5.［8］ZHI T，YONGRAE R，WONHO K.Optimal design of an underwater piezocomposite ring transducer［C］//Ultrasonics Symposium，2008 IEEE.［s.l.］，2008:1405-1408. ［9］BULTER A L，BULTER J L.Multiple resonant wideband transducer apparatus ［P］.America:US6950373B2，2005.［10］SHERMAN C H，BULTER J L.Transducers and arrays for underwater sound ［M］.Berlin:Springer，2006.。