复合棒型换能器锥形前辐射头弯曲振动特性

　　宽频带声换能器近几年来是国内外声学界研究的一个热门课题之一[1～4]。信号处理技术的迅速发展,需要从换能器上获取更多的信息。

　　宽频带换能器,主要指在较宽的频率范围内,具有较平的幅度响应及线性,相位响应,便于传送窄脉冲信号,因而亦有较高的时域分辨率。

　　宽频带换能器无论在军用上还是在民用上,都有着广泛的应用。例如,在声自导鱼雷上运用宽带换能器构成的宽带阵,可以大幅度提高回波的信息量,利于目标识别、参数估计和水声对抗;用宽带合成孔径声纳,可以提高测绘速率,在一定程度上可减小运动误差带来的影响。民用上的例子枚不胜举:超声波洁牙机、超声清洗需要宽频带换能器,以便能稳定工作;超声波焊接机需要宽频带换能器,在负载变化的情况下,电路部分能很好地工作,不至于发生停振现象等等。

　　通常将复合棒纵振型换能器的前盖板设计成喇叭形,这样做的目的是:可增大辐射面积,以利于向前辐射声功率,同时可利用它来调节Qm值。这种换能器的特点是:结构简单,容易加工,适合于用做构成大型换能器基阵的单元。民用上的超声清洗用换能器就是属于这种形状。

　　由于辐射头的形状,在纵向振动的激励下,会有沿轴向方向的弯曲振动出现。一般看法认为,该弯曲振动会减小换能器的带宽并降低声功率的输出。然而,进一步研究表明,弯曲振动的频率与换能器纵振基频的恰当耦合,会在一定程度上拉宽换能器的频带。Stansfield D认为,辐射头弯曲振动频率将高于换能器纵振基频;Decarpigny J.N等人,用有限元法分析了复合棒型换能器在空气中的振动模态[5];John L.Butler用等效线路法,通过极其复杂的运算,求解出了辐射头弯曲振动与纵振基频相互耦合后的发射响应曲线,结果显示,这条曲线与实际测试相吻合[6];Yao Qing-shan等人用有限元法,从宏观上分别在空气及水中分析了Tonpilz换能器的各种模态,指出要在水中获得宽带TVR是可能的[7]。因此,得到宽带的情况如何,取决于辐射头这一关键部件。

　　本文采用有限元方法,分析计算了前辐射头在两端自由及小端面中心固定时,在空气中及在水中的弯曲振动模态,以及这些模态随其几何尺寸变化的精确关系。并指出小端面固定时,前辐射头的弯曲振动模态与复合棒型换能器中前辐射头的弯曲振动模态相接近。由此,为实现纵振基频与前辐射头弯曲振动的恰当耦合,设计宽频带换能器,提供了参考。

　　1　两端自由时

　　先研究前辐射头两端自由,并在其小端面(或称后端面)处加纵向谐振力,激起辐射头的弯曲振动特性。

　　前辐射头有很多振型,下图1所示的振型,其中心小部分区域与其它区域位相相反,也就是说,这个振型具有最小的相位差,在纵振换能器中,前向辐射容积速度最大,能够辐射出最大的声能。设计宽频带换能器,就是要利用换能器的纵振基频与这个弯曲振动基频的恰当耦合来展宽频带。