Page 115 - 无损检测2022年第一期

刘晓晓, 等:

用于水下探测的宽带超声换能器设计

, 但 两 者 相 差 较 小 ( 相 差 计算参数与有限元材料参数存在误差; ② 理论计算

间质量 块 长 度 L m1 ≠L m2
0.4mm )。为进一步验证计算结果的准确性, 分别 过程忽略了换能器的机械损耗、 介电损耗以及其他

计算空气中 L m =16.3 mm 和 L m =15.9 mm 时的 损耗的影响。

换能器理论导纳曲线, 计算结果如图 8 所示。 双激励换能器在 2 个谐振频率下的振动模态如

图 10所示。从图10可以看出: 换能器在23.233kHz
谐振频率下, 只有一个节点, 位移最大值在换能器两
端且振动相位相反, 此时换能器为纵向振动模式; 在

39.273kHz 谐 振 频 率 下, 换 能 器 有 两 个 振 动 节 点
( 位于前、 后盖板与晶堆的接触面上), 此时换能器为
二阶纵向振动模式。

图 10 双激励换能器在 2 个谐振频率下的振动模态
图 8 空气中双激励换能器导纳曲线的理论计算结果
2.2 有限元模拟优化设计
从图 8 可以看出, 当 L m =15.9mm 时, 计算得 在实际换能器制作过程中, 需要预应力螺栓施

到的换能器理论谐振频率为 23.065 , 42.035kHz ; 当 加预应力, 在上节的有限元建模中未考虑螺栓。此

外, 相比于目标频率 42kHz , 上节设计换能器的二
L m =16.3 mm 时, 理 论 谐 振 频 率 为 22.995 ,
41.825kHz 。两者计算结果接近, 且与预设目标频 阶谐振频率较低, 且其对应的导纳过低, 这会导致换

率 23 , 42kHz相吻合。由于 L m =15.9 mm 时, 其 能器在水中的发射电压响应起伏过大, 因此本节将

计算结果与目标频率更为接近, 所以初步确定换能 预应力螺栓纳入模型中, 并对双激励换能器的结构
尺寸进行调整, 使其谐振频率更接近目标频率, 且在
器中间质量块的长度为 15.9mm 。
为进一步验证理论计算结果的准确性, 利用有 目标频率内, 在水中的发射电压响应起伏较小。
限元软件对上述设计的换能器进行建模仿真, 由于 基于上节理论计算得到的双激励换能器设计参
数, 利用有限元软件对换能器设计进行优化, 优化后
其具有轴对称性, 为简化模型, 建立了二维对称模型
的换能器前盖板长度为 32mm , 中间质量块长度为

进行计算, 其导纳计算结果如图 9 所示。图 9 中前

8mm , 后盖板长度为 30mm 。
两阶频率分别为 23.233 , 39.273kHz , 与理论计算相
优化后的双激励换能器, 除前、 中、 后质量块长度

比, 一阶谐振频率的误差为 0.168kHz , 二阶谐振频
发生变化外, 喇叭状前盖板的辐射面直径也进行了调

率误差为2.762kHz , 误差产生的原因在于: ① 理论

整, 且考虑到制备换能器过程中, 压电晶堆与前盖板
的对中问题, 在前盖板上设计了一定厚度的台阶, 优
化后的双激励纵振换能器二维模型如图11所示。
对优化设计后的双激励换能器在空气中的振动
模态进行仿真模拟, 模拟计算结果如图 12 所示。从
图 12 可以看出, 其在空气中的前两阶谐振频率为

22.56 , 41.56kHz , 与预设目标频率接近, 对应的导

纳为 53.4 , 22.7mS 。
图 9 空气中双激励换能器导纳曲线的模拟计算结果
同时, 利用有限元软件对优化后双激励换能器
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2022 年 第 44 卷 第 1 期
无损检测