不规则辐射面换能器及基阵辐射声场分析
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声学测量实验指导书陈洪娟哈尔滨工程大学水声工程学院2005.4.16第1部分必做实验实验1 声学测量仪器设备认知实验一、实验目的通过本实验掌握声学常用测量仪器的使用方法,并了解声学测量实验应该满足的条件要求和实验室进行实验时的注意事项。
二、实验内容与要求:1、内容单台演示各测量仪器的功能,并连接成测量系统演示水声信号。
2、要求教师操作并讲解,学生提问并试操作。
实验2 水听器自由场电压灵敏度校准一、实验目的通过本实验掌握水听器灵敏度的比较校准方法,并熟悉有关测量仪器的使用。
二、实验原理与方法1.水听器的灵敏度水听器就是水声接收换能器,它是把水下声信号转换为电信号的换能器。
水听器的灵敏度就是水听器的接收灵敏度,通常是指开路电压灵敏度,可分为自由场灵敏度和声压灵敏度。
(1)自由场[电压]灵敏度M在平面波自由声场中,水听器输出端的开路电压oc e 与在声场中引入水听器前存在于水听器声中心位置处的自由场声压f p 的比值,称为水听器的自由场电压灵敏度。
符号为M ,单位是伏每帕V/Pa ,以数学式表示为:f ocp e M = (1)自由场电压灵敏度是相对于平面行波而言的。
如果水听器是无指向性的,则不论平面波从哪个方向传来,灵敏度都是相等的。
如果水听器是有指向性的,则灵敏度随平面波入射方向而变。
因此,在水听器上必须标明正对平面波的入射方向、频率和输出端。
自由场灵敏度M 与其基准值r M 之比值的以10为底的对数乘以20,称为自由场[电压]灵敏度级,符号为M 、单位是分贝,以数学式表示为:M )/lg(20r M M = (2)自由场灵敏度级的基准值r M 为1V/μPa 。
(2)声压灵敏度水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值称为水听器的声压灵敏度,符号为p M 。
当用分贝表示时,称声压灵敏度级,符号为p M 。
如果水听器的最大线性尺寸远小于水中波长,且水听器的机械阻抗远大于水听器在水中的辐射阻抗,则其声压灵敏度[级]等于自由场电压灵敏度[级]。
一文读懂换能器一文读懂换能器换能器的英文名称是transducer,用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。
例如:电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等,在水声领域中常把声呐换能器、水声换能器、电声换能器统称换能器。
水声换能器水声换能器是完成水下电声信号转换的器件,它是电子设备与水下信号声场间相互联系的纽带。
鉴定一部水声仪器性能的好坏,往往是首先看它的换能器性能如何。
水声换能器的分类按工作形式可分为发射换能器和接收换能器;按结构形式可分为球形换能器、圆管换能器、弯曲圆盘换能器、复合棒换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器、矢量水听器和光纤水听器等等;按电场性换能材料可分为压电单晶、压电陶瓷(如钛酸钡、PZT)、压电薄膜(如PVDF)、压电复合材料(如1-3压电复合材料)和弛豫型铁电单晶等等;按磁场性的换能材料可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、铁磁流体和超磁致伸缩稀土材料等等;其他:带有匹配层的换能器、电火花声源、MEMS水听器阵列和带有反声障板的声基阵。
声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体,由此水声换能器也被人们形象的比喻为声纳系统的“耳目”。
随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸,在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下,水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提。
水声换能器技术包含新材料、新原理、新结构和新工艺!材料技术:有源材料(压电材料和磁致伸缩材料),无源材料(吸声、反声、透声、去耦和结构);设计技术:理论、结构和匹配设计;制作技术:加工、装配和灌封。
不同工作频率的水声换能器的应用水声换能器基阵在潜艇上的应用水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号,由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。
新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究随着现代制造和产品质量提高的要求,复合换能器得到了广泛应用,用于检测各种类型的信号。
特别是新型纵弯复合换能器在传感器领域具有重要作用,它可以有效地检测频率特性信号,提高了检测效率。
本文详细研究了新型纵弯复合换能器的频率特性和辐射声场。
首先,我们介绍了新型纵弯复合换能器的结构与原理,包括铰接模型的设计,换能器的振动特性及能量传递机制,振动噪声传输原理,以及有关的换能器振动噪声的模型的构建。
其次,本文采用ANSYS有限元软件建立模型,模拟换能器在不同情况下的动态特性,并利用FECAP计算其不同频率下的动态特性,研究频率特性对此换能器动态性能的影响。
此外,采用声辐射研究方法,研究此换能器声场放射特性。
研究结果表明,新型纵弯复合换能器在激振噪声中具有较高的频率响应,同时也具有良好的振动噪声消除性能,使其有效的检测频率特性信号,提高了检测的效率。
同时在不同的频率下,此换能器声场放射特性也呈现出特定的特征,从中可以得出有效的信号,为用户设计提供有效指导。
综上所述,本文通过综合研究新型纵弯复合换能器的频率特性及其辐射声场,提出了有效的传感器设计方案,有助于提高传感器的灵敏度,提高检测效率和精度,为用户提供实用性的解决方案。
市场上现有的换能器由于结构复杂,受环境温度变化的影响较大,加之设计不合理,使其参数不稳定,影响了传感器的稳定性及精确性。
所以,研究新型纵弯复合换能器,对提高传感器的灵敏度,提高检测效率和精度具有重要意义。
未来,有关新型纵弯复合换能器的研究将把重点放在模型改进上,研究不同材料、不同换能器结构,以探索更为精细的参数;同时,将注重建立实验台,以测量换能器的动态特性及其传输噪声特性,以改进数值仿真方法。
以期望得到更^好的换能器设计方案,保证传感器的可靠性和精确性。
综上,通过本文的研究,我们可以更加全面地了解新型纵弯复合换能器的频率特性及辐射声场,为用户设计更加有效的传感器解决方案提供依据,为未来研究工作提供基础。
第二章超声波声场的特性2.1 波源辐射声场超声检测或超声相控阵成像检测设备都是工作于主动检测方式。
即由作为生源的超声换能器或阵列超声换能器向被检测物体内发射超声波,然后由接收换能器或阵列换能器接收载有被检测物体内缺陷或组织信息的超声回波信号,再通过信息提取与处理,实现对被检测物体内部缺陷或结构的评估与成像。
2.1.1 波动方程物理声学中的波动方程是研究超声(或阵列)换能器的声场特性最基本的原理和方程。
若被超声检测的物体为金属材质,大部分区域被认为各点的声速和密度是一致的,被认为是均匀体,只是对于缺陷或组织不均匀区域则是不一致的;若被检测物体为生物体,物体内各点的声速与密度存在起伏,并非均匀一致。
本书只讨论在工程应用的超声相控阵成像检测技术,因此仅讨论在均匀介质中的声场。
在声速与密度非均匀的介质中,声波传播过程用非均匀介质中声波方程来加以描述。
非均匀介质中波动方程为(式2-1)式中,P是声强,是介质密度,c是声波的速度,▽是梯度算子。
假设声速和密度较之平均声速和平均密度有微小偏移,即其中<<,<<,那么,式(2-1)可以表示为(式2-2)式(2-2)等号右边两项称为散射项,有时也称为有源项。
就是说,当介质密度及声速非均匀时,则介质中有等效生源分布;但是,当介质均匀时,介质中没有等效声源分布,右边两项为0。
因此,可以得到理想流体介质中的波动方程(式2-3)上面三个公式是研究相控阵超声成像的理论基础,通常由式(2-3)触发来求解换能器或阵列换能器的辐射声场分布,而式(2-2)常用于描述非均匀介质中的散射场问题。
2.1.2 基于空间冲激响应的脉冲场模型在无损检测领域中,多采用脉冲,所用的换能器或换能阵通常也是宽带的,因此以下内容将对换能器或阵的脉冲声场进行讨论。
图2-1 单源换能器及其所在坐标系统如图2-1所示,假设一个任意形状的换能器嵌在无限大的刚性障板上,置于均匀介质中,那么该换能器的辐射声场可以通过求解均匀介质中的波动方程(2-3)来求得。
实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析李武松 生基硕81 08123011一、实验目的1、 复习单阵元超声换能器声场分布特性的理论知识,包括单阵元圆形聚焦和非聚焦换能器。
2、 学习利用针式水听器测试换能器声场特性的原理及方法。
3、 利用实验室Panametrics 多扫描系统测量5 MHz 、3.5MHz 、2.25 MHz 、1MHz 聚焦或非聚焦Panametircs 换能器声场分布,掌握实验过程和数据的计算机处理方法。
4、 比较同频率聚焦换能器与非聚焦换能器的声场特性;比较不同频率的聚焦换能器的声场特性、不同频率的非聚焦换能器的声场特性,并分析声场特性随频率的变化规律;二、数学物理原理Ⅰ 诊断超声换能器的声场特性超声辐射场是指超声能量分布的空间,即超声换能器所发射的超声波到达的区域,接受超声治疗与检测的区域均属于超声场的部分。
各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。
1. 单阵元非聚焦超声换能器的声场特性根据声学理论,一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场,可以按照惠更斯原理进行分析,即将换能器或阵的有效辐射面,看作是无数点声源的组合。
辐射声场中某一点的声压是辐射面上所有的点源在该点产生的声压叠加的结果,因而可以通过对整个辐射面的积分来计算,如图1所示。
图1 圆片换能器轴向辐射对于实验所用的单源圆形平面换能器,其轴线上任意一点的声压公式为:122202sin[()]sin()z p p a z z t ka πωλ=+-- (1)其中,0p 为声源处起始声压;a 为圆片半径;z 为该点距离声源的距离;ω为角频率;2k πλ=,λ为波长,声压随时间作周期性变化。
声压振幅:122202sin[()]m p p a z z πλ=+- (2)当2z a >时, 202sin()2m a p p zπλ= (3)又当23a z λ>时,22sin()22a a z z ππλλ≈,所以200m p a p S p z zπλλ==(2S a π=,即圆盘面积) (4) 从上式可以看出,m p 与z 成反比,即当z 足够大(23a z λ>)时,圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减,如图2:图2 圆片换能器(a )声束(b )轴线上声压分布在近场有极大极小值,这是由于在靠近声源处,换能器平面边缘和平面中心辐射声波到达轴线上某点波程差不同引起声波相互干涉的结果。
第1篇一、实验目的1. 理解声场发射的基本原理及其在无损检测中的应用。
2. 掌握声场发射检测仪器的操作方法。
3. 分析不同条件下声场发射信号的变化,了解声场发射特性。
4. 培养实验操作和数据处理能力。
二、实验原理声场发射是一种利用声波在介质中传播时产生的声场变化来检测材料内部缺陷的无损检测技术。
声场发射检测原理如下:1. 当材料内部存在缺陷时,缺陷处的应力集中会导致材料局部弹性变形,从而产生应力波。
2. 应力波在传播过程中,会引起周围介质的声场变化,产生声场发射信号。
3. 通过检测和分析声场发射信号,可以判断材料内部的缺陷位置、大小和性质。
三、实验仪器与设备1. 声场发射检测仪2. 激光光源3. 摄像机4. 声场发射探头5. 标准样品6. 实验台四、实验步骤1. 将样品放置在实验台上,确保样品表面平整、干净。
2. 将声场发射探头放置在样品表面,调整探头位置,使其与样品表面紧密接触。
3. 打开声场发射检测仪,设置合适的检测参数,如扫描速度、增益等。
4. 开启激光光源,对样品进行照射,观察声场发射信号的变化。
5. 记录不同条件下声场发射信号的变化,如不同缺陷类型、不同缺陷深度、不同缺陷尺寸等。
6. 对实验数据进行处理和分析,得出声场发射特性曲线。
五、实验结果与分析1. 实验结果表明,声场发射信号与缺陷类型、缺陷深度、缺陷尺寸等因素有关。
2. 对于不同类型的缺陷,声场发射信号具有不同的特征,如裂纹、孔洞、夹杂等。
3. 随着缺陷深度的增加,声场发射信号的幅度逐渐减小。
4. 缺陷尺寸越小,声场发射信号的幅度越低。
六、实验结论1. 声场发射检测技术可以有效地检测材料内部的缺陷。
2. 通过分析声场发射信号,可以判断缺陷的类型、大小和性质。
3. 实验结果表明,声场发射检测技术具有较高的检测灵敏度和准确性。
七、实验注意事项1. 实验过程中,注意保持样品表面平整、干净,避免干扰信号的产生。
2. 调整声场发射探头与样品表面的接触压力,确保信号稳定。
第4章声波的辐射4.1声波的辐射过程和辐射阻抗4.1.1声波的辐射过程声源辐射器振动表面推动周围介质振动,由于介质的惯性和弹性,使得振动状态向远处传播,从而形成声波场。
在第三章中主要讨论这些已经激发起来的声波在传播过程中的特性,至于声波场和声源之间的关系,即声源辐射声波问题,将在本章讨论。
本章从三个方面来讨论:(1)介质对辐射器振动表面的作用—辐射阻抗的概念研究声源在介质中振动并辐射声波,因而向介质中辐射声能的问题,它涉及到介质与声源的相互作用,即声源作为一个振动系统在介质中受到介质的反作用力,由此可以求出介质对辐射器振动表面的作用和辐射阻抗。
(2)声源辐射声场的空间分布问题声源辐射声场的空间分布包括轴向分布和周向分布,轴向分布涉及声场的远近场概念,声场的周向主要用远场指向性刻画。
(3)辐射声场的数学处理方法辐射面规则,可采用分离变数法求解;辐射面不规则,采用亥姆霍兹方程的积分解。
在实际中,声源的形式是各种各样的,要想从数学上对形状不规则的声源进行严格求解是十分困难的,因此在很多情况下,在一定的限制条件下将声源近似看作平面、球面等理想化得声源,这样既避免了繁琐的数学推导,又可以由所得结果揭示基本规律。
4.1.2 辐射阻抗声源辐射器在声场中振动时,介质发生稀疏交替的形变,从而辐射了声波;另一方面,声源本身也处于它自己辐射形成的声场之中,因此它也受到声场对它的反作用。
如果,辐射器的机械振动系统的等效集总参数系统如图4.4.1。
图4.1 1辐射器的振动系统的等效集总参数系统系统在无介质环境下的运动方程为:01{()}m m mR j M U F C ωω+-= (4.1.1) 其中,0U 是等效系统参考点处的振速;(取辐射器表面某点振速);F 是电—机转换元件的等效施加力;系统在介质中的运动方程为:01{()}m m mR j M U F f C ωω+-=+阻 (4.1. 2) 其中,0U 是等效系统参考点处的振速;F 是电机转换元件的等效施加力;f 阻是介质对辐射器振动系统的阻力;又因为f 阻是声压作用在辐射器振动表面的压力,所以:()()()a S S f p r ds Z r u r ds =-=-⎰⎰⎰⎰阻 (4.1. 3)上式中,()a Z r 是波阻抗;()u r 是声场在辐射器振动表面处的振速。
一种基于Rayleigh积分声场计算模型的高频换能器阵列辐射声场的模拟方法摘要凹球面高强度聚焦超声换能器在超声治疗领域具有广泛的应用,准确计算凹球面HIFU换能器的结构参数和所产生的HIFU场声压对于精确预测治疗剂量,提高治疗安全性具有重要意义。
本文分析了一种基于Rayleigh积分声场计算模型的高频换能器阵列辐射声场的模拟方法,并给出凹球面HIFU换能器表面的振动速度与声压是相关的结论。
关键字换能器超声治疗Rayleigh积分HIFU场声压计算1研究背景与现状HIFU技术于1942年,由Columbia University的Lynn等人首次提出,由于当时缺少高精度的成像和定位技术,因此HIFU技术并未获得实质发展。
HIFU的潜在临床应用最早于1955年美国伊利诺大学的Fry等人提出,他们率先将超声用于神经外科的基础研究。
21世纪之后,随着对超声热疗、超声成像、超声溶栓等技术的不断深入研究和交叉学科的迅猛发展,HIFU技术已成为声学领域的热点问题和全球科技的重要前沿问题。
国际超声治疗学会(ISTU)于2001年在中国成立,HIFU技术在国内的发展被推向了一个新的历史发展阶段。
目前我国已率先制定出HIFU 的声压输出和声场测试的国家标准和相关行业标准,并作为制订国际标准的参考文件提交至“国际电工委员会(ICA)”。
综合考虑声场各种检测方法,Rayleigh积分声场计算模型能对声场较为准确的进行模拟,且只需获得换能器表面振动即可根据声场模型进行HIFU声场的声压测量和重构描述,计算过程相对简单,使用范围广。
本文研究的目的就是结合Rayleigh积分声场计算模型实现对高频换能器阵列的辐射声场的模拟,提高声场声压检测准确性和声场分布重构效率。
2基于Rayleigh积分的声场计算模型可以用连续波的理论来分析凹球面高强度聚焦超声换能器产生的声场。
即声场辐射源发射到空间任意点的声压可以表示为(1)式中,是HIFU场声压,是虚数单位,是介质密度,是声场辐射源工作的谐振频率(即声场辐射源产生的超声波频率),是任一点积分面元到坐标原点的距离,即换能器表面法向(指向焦点)振动速度,是超声波在空气中的波数,是积分面元上的待测点到场点的距离。
新型纵弯复合换能器频率特性及辐射声场研究近年来,由于交换机的发展,嵌入式电路的集成度提高和机器人自动化的推广,复合换能器技术发展迅速。
由于它的高电流强度、高能量传输效率和高空间利用率,复合换能器受到了广泛的重视。
然而,复合换能器在使用中存在一些问题,其中最关键的问题是它的声学性能,即它的频率特性和辐射声场。
首先,本研究以新型纵弯复合换能器为研究对象,以此来研究它的频率特性。
首先,实验室利用电脉冲激发器作为输入信号,并将其输入至新型纵弯复合换能器,获得了从声学测试仪输出的实验数据。
然后,基于这些实验数据,利用相关技术分析出了新型纵弯复合换能器的频率特性。
结果表明,新型纵弯复合换能器的频率特性特点是具有低档低增益、中档恒幅宽带和高档高增益特性。
接着,本研究利用声场实验来研究新型纵弯复合换能器的辐射声场。
在实验中,实验室搭建了一个模拟的空间结构,实验室的发声装置分别配置在空间结构的四角。
然后,在振动发生器及其搭载的新型纵弯复合换能器的受力部位中,分别安装了两个话筒,利用话筒进行声压波传播试验。
经过实验,实验室获得了新型纵弯复合换能器的辐射声场数据,经过分析,实验室得出结论,即新型纵弯复合换能器的辐射声场以较低的声压和能量分布,局部可以达到较好的声学性能。
本研究以新型纵弯复合换能器为研究对象,研究了其频率特性和辐射声场,实验结果表明:新型纵弯复合换能器的频率特性表现为低档低增益、中档恒幅宽带和高档高增益特性,以较低的声压和能量分布,局部可以达到较好的声学性能。
由于本研究仅涉及新型纵弯复合换能器,而未涉及其他复合换能器,因此,今后的研究可以着重于进一步研究不同结构的复合换能器的频率特性和辐射声场的性能。
另外,有关声学测试的技术也可以在未来的研究中发挥重要作用,从而有助于提高复合换能器的声学性能。
总之,本研究以新型纵弯复合换能器为研究对象,以频率特性和辐射声场为研究方向,得出了新型纵弯复合换能器的频率特性表现为低档低增益、中档恒幅宽带和高档高增益特性,以较低的声压和能量分布,局部可以达到较好的声学性能的结论,为今后进一步深入研究复合换能器的声学性能提供了参考。
实验二 单阵元圆形超声换能器辐射声场分布特性测试与分析李武松 生基硕81 08123011一、实验目的1、 复习单阵元超声换能器声场分布特性的理论知识,包括单阵元圆形聚焦和非聚焦换能器。
2、 学习利用针式水听器测试换能器声场特性的原理及方法。
3、 利用实验室Panametrics 多扫描系统测量5 MHz 、3.5MHz 、2.25 MHz 、1MHz 聚焦或非聚焦Panametircs 换能器声场分布,掌握实验过程和数据的计算机处理方法。
4、 比较同频率聚焦换能器与非聚焦换能器的声场特性;比较不同频率的聚焦换能器的声场特性、不同频率的非聚焦换能器的声场特性,并分析声场特性随频率的变化规律;二、数学物理原理Ⅰ 诊断超声换能器的声场特性超声辐射场是指超声能量分布的空间,即超声换能器所发射的超声波到达的区域,接受超声治疗与检测的区域均属于超声场的部分。
各种换能器辐射的超声场取决于换能器本身的特性、尺寸、形状等。
1. 单阵元非聚焦超声换能器的声场特性根据声学理论,一个有限尺寸的换能器或阵的辐射声场,可以按照惠更斯原理进行分析,即将换能器或阵的有效辐射面,看作是无数点声源的组合。
辐射声场中某一点的声压是辐射面上所有的点源在该点产生的声压叠加的结果,因而可以通过对整个辐射面的积分来计算,如图1所示。
图1 圆片换能器轴向辐射对于实验所用的单源圆形平面换能器,其轴线上任意一点的声压公式为:122202sin[()]sin()z p p a z z t ka πωλ=+-- (1)其中,0p 为声源处起始声压;a 为圆片半径;z 为该点距离声源的距离;ω为角频率;2k πλ=,λ为波长,声压随时间作周期性变化。
声压振幅:122202sin[()]m p p a z z πλ=+- (2)当2z a >时, 202sin()2m a p p zπλ= (3)又当23a z λ>时,22sin()22a a z z ππλλ≈,所以200m p a p S p z zπλλ==(2S a π=,即圆盘面积) (4) 从上式可以看出,m p 与z 成反比,即当z 足够大(23a z λ>)时,圆形声源轴线上的声压随距离的增加而衰减,如图2:图2 圆片换能器(a )声束(b )轴线上声压分布在近场有极大极小值,这是由于在靠近声源处,换能器平面边缘和平面中心辐射声波到达轴线上某点波程差不同引起声波相互干涉的结果。
磁致伸缩换能器辐射板形状对声场分布的影响汪建新;丁艳春;谭洪武;刘曜宁【摘要】磁致伸缩换能器可作为热声制冷机的声源装置,辐射板的形状直接影响声压输出效率,从而影响制冷效果.为提高换能器工作效率、减小换能器体积,辐射板需在Terfenol-D棒的激励下产生大振幅、高频率的活塞振型.针对这一问题,应用ATILA软件分析了磁致伸缩换能器辐射板形状对谐振腔振动幅频特性的影响以及对谐振腔内声场分布的影响.结果表明:相同激励条件下,凹球面辐射板出现活塞振型时振幅最大,对应谐振腔中声压幅值最高;谐振腔端面形状为凹球面时,具有聚焦声压幅值的作用;端面形状为凹发射端-凸反射端组合的谐振腔内声压幅值最高.以上结论为合理设计辐射板、谐振腔两端面组合形状提供了参考.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2016(035)004【总页数】7页(P357-363)【关键词】换能器;辐射板形状;振幅;声压幅值;有限元分析;谐振腔端面组合形状【作者】汪建新;丁艳春;谭洪武;刘曜宁【作者单位】内蒙古科技大学机械与工程学院包头 014010;内蒙古科技大学机械与工程学院包头 014010;中油吉林石化公司有机合成厂吉林 132022;内蒙古科技大学机械与工程学院包头 014010【正文语种】中文【中图分类】TB567超声领域中的换能器主要实现电能和声能之间的相互转化[1]。
超声换能器的应用十分广泛,已经深入到科学研究及工程技术的各个领域。
例如,超声化学、超声制冷、超声中草药提取、超声检测、医学超声、超声焊接、超声清洗、超声雾化等诸多领域[2-8]。
近年来,新技术及新材料的快速发展,为换能器技术的进步提供了强有力的后盾,其中超声磁致伸缩换能器,因磁致伸缩材料具有磁致伸缩系数大、抗压强度大、机械响应速度快,耐高温[1]等诸多的优越性在超声领域得到了广泛应用。
一般换能器选用平圆板作为辐射板结构,但由于结构原因,产生的位移较小,不能很好地满足现有热声制冷设备对于换能器小体积、大功率、高声强的需求。
一种锥台边界条件下的球型换能器指向性特征及声场调控作者:马雄超付昌江祯来源:《声学与电子工程》2022年第01期摘要球型换能器是一种具有理论全空间均匀声辐射的常用无指向性声源,而正因为无指向性全空间声发射,使其在实际工作环境中更容易受到边界反射声波影响。
研究这些不规则边界反射,对球型换能器辐射声场调控具有重要意义。
为此,文章采用了镜像法结合有限元法分析计算了一种锥台边界条件下的球型换能器的声场。
两种理论分析得到的结果基本一致,相互印证。
研究结果表明:球型换能器指向性图某位置的凹陷主要由边界反射的虚源声场叠加导致;调整锥台边界的相应边长可控制球型换能器指向性图凹陷深度;调整锥台边界相邻边的夹角可控制球型换能器指向性图凹陷出现的位置。
关键词球型换能器:无指向性声源;边界反射;镜像法;声场调控1882年,英国科学家Lamb H就发表了一篇关于球壳振动的文献,时至今日,球型换能器已经成为一种应用最为广泛的换能器。
但在工程应用中,球型换能器由于各种工艺限制以及安装平台的影响,其指向性图并非呈现理想的球体。
鉴于此,本文探讨了一种锥台边界下其声场的特征,同时通过计算两种锥角的锥台对其声场进行了简单的调控。
1球型换能器声场的镜像分析球型换能器辐射声场容易受到安装平台的影响,一是因为工作频段,二是因为全空间辐射特性。
因此边界条件对球型换能器指向性的影响难以避免,想要合理精准的使用球型换能器就必须对其特定边界条件下的声场进行分析。
虚源法是分析带障板换能器指向性的常用方法,鉴于球型换能器全向辐射特性较为接近点源,在分析其障板边界条件下的声场时常用此法。
虽然实际声学障板既不是无限大也不是规则的镜面或球面亦非绝对镜面反射,但是作为近似分析仍然能得到球型换能器在一些较为复杂边界条件下的基本声场特性。
本文球型换能器所处边界条件及建立的极坐标系如图1所示。
球型换能器下方的二维截面为一个梯形的边界,假设其材质为软泡沫,则其边1~4可近似考虑成绝对软边界。