开槽Cymbal换能器技术研究

　　0 引言

　　Cymbal换能器类似于V型弯张换能器,是moonie换能器的重大改进。依据不同的用途,几个Cymbal换能器组合在一起,可以产生较大的轴向位移。因此,具有较好的结构实用性和环境适应性。然而,由于Cymbal换能器端冒的弯曲振动产生较大的切向应力,损失大量的机械能。径向开槽的Cymbal换能器可以解决这个问题[1-3](如图1所示),通过径向槽,它可以释放切向应力,从而避免大量的机械能损失,提高能量转化效率。

　　与同尺寸的Cymbal换能器相比,开槽的Cymbal换能器还具有很多优点,如可以降低基频、提高轴向位移及自由场电压接收灵敏度等[4]。开槽Cymbal换能器的电声性能与所开槽的位置、数目、宽度及深度有关。为了避开烦琐的理论计算,同时又能保证求解的精度,本文用有限元分析方法(Finite ElementMethod, FEM),借助ANSYS软件,模拟了开槽的位置及尺寸对Cymbal换能器机电性能的影响,为提高Cymbal换能器的性能迈出了具有关键意义的一步。由于计算机资源条件的限制,本文仅仿真计算了空气介质中的开槽Cym-bal换能器的电声特性;由于水池测试条件的限制,本文对该换能器的静水压问题未作研究。

　　1 开槽Cymbal换能器有限元分析

　　以12槽Cymbal换能器为例,由于该换能器既是轴对称图形又是中心对称图形,在柱坐标系中建立轴截面图形及有限元模型,如图2所示。采用厚度t=1.0mm、直径D=25.0mm及单元为Solid5的PZT-5H压电陶瓷片;厚度tm=0.5mm、直径D=25.0mm、空腔顶端半径r=4.0mm、空腔底部半径R=10mm、空腔高度h=0.8mm及单元为Solid45的黄铜平顶锥壳;槽宽2b、槽深0.15mm,侧面和底面同时开槽。

　　仿真计算得到12槽Cymbal换能器的前3阶谐振频率及模态振型,结果分别如表1及图3所示。图中(a)是第1阶模态振型,振动辐射面上无节点圆; (b)是第2阶模态振型,振动辐射面上有1个节点圆; (c)是第3阶模态振型,振动辐射面上有2个节点圆。对于用作水声换能器的Cymbal换能器来说,重点是无节点圆的振动模式,因为它具有最大的声功率。

　　2 侧面和底面同时开槽的Cymbal换能器

　　计算了2种开槽(12槽和24槽)Cymbal换能器的性能,并且针对每一种情况,分析了槽的宽度及槽的深度对Cymbal换能器机电性能的影响。

　　2.1 12槽Cymbal换能器

　　仿真计算了槽的宽度及深度对12槽Cymbal换能器机电性能的影响,其中槽的宽度依次为0b(未开槽), 2°, 3°, 42和5°;深度依次为0.05mm,0.10mm, 0.15mm, 0.20mm和0.25mm。通过循环仿真计算,其结果如图4~图7所示。图中纵坐标Y表示空气导纳模值,U表示轴向位移。

　　由图4、图5可以看出,在槽宽w=2b的条件下,当槽的深度d=0.15mm时,出现了最优解,即该换能器的有效机电耦合系数最大,机械品质因子最小,谐振频率最低且轴向位移最大;当槽的宽度分别为3°, 4°和5°时,仿真计算结果与w=2°的结果类似。由图5、图6可以看出,在槽的深度d=0.15mm条件下,该换能器的轴向位移变化不明显,在槽宽w=2°时,其谐振频率最低,有效机电耦合系数最大;当槽的深度分别为0.05mm, 0.10mm, 0.20mm及0.25mm时得到的结论与d=0.15mm的结论类同。因此在本文中选择的标准开槽Cymbal换能器的槽的深度及槽的宽度分别为d=0.15mm,w=2°。