钹式换能器的共振特性研究

　　1　引言

　　钹式换能器属于V型弯张换能器，由金属帽和压电陶瓷圆片粘结而成，粘结剂为环氧树脂，具有体积小、重量轻、加工简单等特点[1～3]，在水声工程，水声实验设备等领域具有多种用途，其共振频率主要由材料参数、结构参数决定，研究其工作频率对提高钹式换能器的辐射声功率、发射效率等性能具有重要的意义[4～7]。目前，该换能器的研究范围主要集中在发射效率、振动模态分析、机电性能，布阵技术等方面[9～11]，但在换能器的工作频率设计方面还有待完善。本文运用ATILA有限元软件主要研究结构参数的变化对共振频率的影响，揭示共振频率的变化规律，为设计共振频率从2kHz～180kHz之间变化的钹式换能器奠定良好的基础。

　　2　有限元模型

　　钹式换能器具有轴对称结构，建模时可建成二维轴对称模型，减少了存储量和计算时间，便于分析计算，模型流程图如图1～图4所示。

　　通过ATILA软件根据钹式换能器的结构参数建立压电陶瓷圆片和金属帽的轴对称结构，画出流体单元，建立钹式换能器的外围水域，模拟水下工作环境。根据建模所需材料指定材料属性，施加辐射边界条件，模拟换能器的工作状态，划分网格，进行有限元分析，计算不同结构参数下的换能器的共振频率。

　　3　结果与分析

　　钹式换能器模型简图如图5所示。压电陶瓷圆片与金属帽间的环氧树脂粘结层厚度较薄，模型简图中略去不画。

　　表示空腔底部直径d2与空腔顶部直径d1之比，d表示压电陶瓷圆片直径d(即金属帽直径)与空腔底部直径d2之差，为便于在实物制作过程中加工压电陶瓷圆片，防止破碎，设计共振频率时须合理的选择比值λ、空腔顶部直径d1、差值d的取值范围，以减小压电陶瓷片直径的取值范围;为保证压电陶瓷片与金属帽间的粘结强度，提高抗静水压性能，d的取值不能太小;为设计出低频的钹式换能器，d的取值不能太大。当钹式换能器的结构参数变化时，所得共振频率不同。

　　3.1　空腔顶部直径对共振频率的影响

　　当d=4mm，λ取1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0时所得空腔顶部直径d1与共振频率fr间的关系如图6所示。

　　当λ保持不变时，随着空腔顶部直径的增大，共振频率减小;当空腔顶部直径保持不变时，随着λ的增大，共振频率减小;因此，随着λ和空腔顶部直径的增大，共振频率减小。同一共振频率可对应不同的λ值和空腔顶部直径，同一空腔顶部直径下不同的比值λ可对应不同的共振频率。

　　当比值λ=2.0，d=4mm、6mm、8mm时所得空腔顶部直径d1与共振频率fr间的关系如图7所示。