高频宽带圆管换能器研究

　　1 引 言

　　压电圆管换能器是一种较为常用的水声换能器，它具有结构简单，工作性能稳定，在水平方向无指向性，布阵方便等特点 [1,2] 。压电圆管换能器一般运用圆管的径向振动模态的振动模式，这种单一的振动模式使得换能器的频带宽度一般不宽。拓展压电圆管换能器带宽的传统方法是采用压电圆管的液腔振动模态与径向振动模态的耦合，而这种原理一般适合于低频宽带工作 [3] ;利用压电圆管的径向振动模态和高阶径向振动模态的耦合也可以实现圆管换能器的宽带发射，而利用这种原理制作的换能器具有一定的水平指向性 [4,5] 。压电圆管除了径向振动模态和高阶径向振动模态之外，还有其他高阶振动模态。本文利用有限元方法，运用大型的有限元软件 ANSYS 设计并制作了一种利用压电圆管径向振动模态和高度方向二阶弯曲振动模态的宽带圆管换能器，它具有高频、宽带、水平无指向性的特点。

　　2 高频宽带圆管换能器原理

　　换能器实现宽带的方法有很多，最常用的就是多模振动耦合。压电圆管具有很多固有模态，利用相邻振动模态的耦合是实现宽带最简单的方法，但是在利用多模振动耦合实现宽带时，须注意振动模态之间的相位关系。如果两个相邻模态之间是同相的，在两个相邻模态之间振动的贡献是相互叠加的;若是反相的，在两个相邻模态之间振动的贡献是相互抵消的，在某一点达到最小值，反映到发送响应曲线上就是一个很深的凹谷，而这一凹谷是无法用调整模态间距的方法来消除的 [6] 。

　　对于压电圆管换能器，可以通过调整圆管的平均直径、厚度和高度，以远离反相模态来实现宽带发射 [7] 。

　　3 高频宽带圆管换能器有限元分析

　　运用 ANSYS 软件建立圆管换能器的有限元模型，压电陶瓷需给出密度、介电常数、压电常数和弹性常数，压电单元用耦合场单元 PLANE13。由于径向振动模态和高度方向二阶弯曲振动模态具有轴对称特性，因此只需建立二维轴对称模型，如图 1 所示。

　　瓷圆管径向振动频率为 58kHz，与 ANSYS 计算结果一致。

　　运用 ANSYS 的谐波分析功能对 PZT-4 压电陶瓷管进行阻抗分析可得压电陶瓷管的电导纳曲线，如图 3 所示。第一个谐振峰的频率为 57.8kHz，电导峰值为 30.1mS;第二个谐振峰的频率为 65.9kHz，电导值为 0.27mS。

　　建立圆管换能器流体中的有限元模型，为了得到较高的声源级，本文设计的换能器由 3 个同样的圆管沿高度方向排列而成。

　　运用 ANSYS 所提供的谐波分析功能，对换能器施加电压，得到水中换能器的导纳曲线，如图 4所示。第一个谐振峰的频率为 52kHz，电导峰值为1.7mS;第二个谐振峰的频率为 2kHz，电导值为1.5mS。