超磁致伸缩换能器的声辐射特性

    超磁致伸缩材料是一种高科技新功能材料与传统的压电换能器相比,由于纳秒级机械响应速度,功率大、适用频带宽、余振小等特点已被广泛应用于汽车、航空、医疗、机器人、精密加工、超声加工和声纳,以及智能结构中[1~4]#用于制作大功率激震源,诊断传感器,水声换能器等需要较大输出功率的振动装置#目前已有许多有关超磁致伸缩材料性能方面的研究[5~10]#本文采用超磁致伸缩材料Terfeno-l D作为换能器中致动元件,对超磁致伸缩大功率换能器的声辐射动态特性进行了试验#针对某换能器找出影响换能器发射声波主频率和最大振幅的若干机械和电磁参数关系,以提高换能器的电声转换效率.

    1 换能器变幅杆纵振微分方程

    超磁致伸缩换能器变幅杆阻抗匹配性能对换能器的性能有重要影响#从能量输出上要求在激励频率条件下,变幅杆输入端面的阻抗等于致动元件输出端面阻抗,从力学角度分析,就是变幅杆共振频率等于激励频率;使致动元件输出端面在接入变幅杆后不致改变原有工作状态,即在两者连接变幅杆端面上的振速与致动元件未装变幅杆前谐振时的输出端面速度的振幅值相等,并且要求致动元件输出阻抗与变幅杆输入阻抗都为零#在实际的应用中,变幅杆的输出端面是有负载的,而输出端阻抗的计算很复杂,与加工工具,被加工物的尺寸、材料有关#即使在设计阶段对输出端阻抗尽量测量和估算,再经过复杂计算设计变幅杆尺寸,使之与致动元件阻抗匹配,也往往产生较大误差或失配#所以在实际的工程应用中,是先按照变幅杆无负载情况进行计算、设计,然后根据实践经验,做适当调整,直至试验结果满足要求.

    在设计各类变幅杆参数时,一般假定它的横截面尺寸比较小,从而应力波在变幅杆中传输时,其波振面近似为平面波#并且认为应力在横截面上是均匀分布的,也就是忽略纵向变形对横向变形的影响,即变幅杆的纵向变形所引起的横向变形很小,不致引起应力波的波振面的畸变#考虑到存在母线形状不同的各类变幅杆,下面讨论任意变截面杆的纵振方程#根据变截面杆微元分析,可得变截面弹性杆纵振微分方程为

    其中,c;u为纵向位移;S(x)为纵向任意位置x处的截面积;E为材料杨氏模量;为纵向应变;分别为变幅杆材料的密度和声速;E为杨氏模量#因为振速,因此有

    其中,Ze为变幅杆输出端阻抗;vf,ve分别为变幅杆前后端速度幅值,通常由试验测得#

    2 指数形变幅杆振动响应计算

    对于指数形变幅杆,任意位置x半径及截面面积表达式为

    这里,R1,R2,S1,S2分别为变幅杆前后端面的半径及截面面积,其中,