Page 116 - 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

电压响应曲线可以看出, 频率为19.5kHz~43.2kHz
时, 最大发射电压响应为 147.1dB , 最小发射电压响

应为140.4dB , 起伏为6.7dB , 带宽为23.7kHz 。
3 换能器性能测试

根据理论计算及优化设计的结果, 制作了双激
图 11 优化后的双激励纵振换能器二维模型
励纵振换能器样机, 其实物如图 15 所示。

图 12 优化后双激励纵振换能器在空气中的导纳曲线
图 15 双激励纵振换能器实物
模拟计算结果
使用阻抗分析仪对制作的双激励换能器输入导
在水中的导纳曲线、 发射电压响应曲线进行模拟计
纳进行测试, 得到换能器在空气中的输入导纳实测
算, 结果如图 13 , 14 所示。由图 13 可知, 该换能器
曲线( 见图 16 )。从图 16 可以看出, 制作的换能器
在水中工作时, 导纳存在两个谐振峰, 分别为22.261 ,
实测频率为 22.14 , 41.2kHz , 对应的导纳为 47.4 ,
40.754kHz 。相较于空气, 水中的谐振频率有所下 17.7mS , 实测与仿真结果的谐振频率对比如表1 所

降, 这是因为水的声阻抗大于空气的, 所以前盖板的
示。从表 1 可以看出, 制作的双激励换能器在空气
等效阻抗增大, 前后盖板的振速比减小, 从而使得换
中实测的谐振频率及其对应的导纳较仿真结果略
能 器在水中的谐振频率向低频移动。 从换能器发射
低, 主要原因为仿真时未考虑环氧树脂、 电极片的影
响, 且实际结构的材料参数与仿真的有区别, 但实测
与仿真的结果相差不大, 仿真结果可以为实际制作

换能器提供理论依据。
利用水中测量系统对制作的换能器的水下发射

图 13 优化后双激励纵振换能器在水中的导纳曲线
模拟计算结果

图 16 空气中双激励纵振换能器导纳曲线的实测与
仿真结果
表 1 空气中双激励纵振换能器实测与仿真的
谐振频率

第一阶谐振 一阶谐频对应 第二阶谐振 二阶谐频对应
项目
频率 / kHz 导纳 / mS 频率 / kHz 导纳 / mS
图 14 优化后双激励纵振换能器在水中的 仿真 22.56 53.4 41.56 22.7
发射电压响应曲线 实测 22.14 47.4 41.20 17.7

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2022 年 第 44 卷 第 1 期
无损检测