基于虛源法有障板換能器聲場的計算

基于虛源法有障板換能器聲場的計算

定向是聲音交換器或聲音交換裝置的重要指標之一。根據不同的用途,對指向性的要求也不一樣,當需要定位準確時,需要指向性比較尖銳甚至是針型的;當用來探測或者預警時,希望各角度響應起伏不要太大,不要出現死角,就需要換能器或者基陣的指向性角比較寬。壓電圓球換能器是無指向性的,障板存在時球形換能器的指向性會發(fā)生明顯的變化。在障板不可去除的情況下,研究障板對球形換能器指向性的影響具有重要的實用意義。障板的性質、球心到障板的距離和工作頻率等對指向性的影響很大。如果是全吸聲障板,到達障板的聲波沒有反射,無障板的一面指向性基本還是均勻的;如果是反聲障板,因為障板的反射造成聲場疊加,指向性曲線多呈“手指”狀,由于凹谷的存在,探測和預警會出現死角,這是非常危險的。本文研究球心到反聲障板的距離對換能器指向性的影響,通過調整球心距離改善甚至消除凹陷情況,避免“梅花”狀的出現,在工作頻率獲得平滑的指向性。1聲壓中聲壓的計算換能器主要由球型壓電材料、泡沫反聲障板、后蓋板三部分組成,結構外由橡膠灌注而成,結構如圖1所示。單純的球形壓電換能器結構比較簡單,由于它結構空間對稱,在空間具有均勻的指向性,常用來做點源做全向輻射換能器及接收換能器。帶障板球形換能器,聲場較為復雜,聲場如圖2所示,遠場中一點P處的聲壓由兩部分組成,一部分是直達波貢獻,另一部分通過泡沫反聲障板反射一次后到達,這就相當于波是從虛源發(fā)出到達P點。球殼半徑為a,球心距聲障板d,脈動聲壓為Pr,則有聲障板是軟邊界,反射聲壓相位改變180o,設反射系數為η,所以合成聲壓其中,r+=r-dsinθ,r-=r+dsinθ。其中,加障板后,換能器不再具有均勻的空間指向性,其指向性受工作頻率、球心到泡沫反聲障板的距離和障板的反聲系數等因素的影響。2工作頻率的指向性分析隨著換能器老化,其頻率會發(fā)生漂移,根據式(3)~(5)仿真分析了球心距取1mm、5mm、7.5mm、9mm和12mm時,71kHz、75kHz和79kHz三個工作頻率的指向性。其中90o對應障板法線方向。仿真結果顯示:●球心到障板的距離小于四分之一波長時,三個頻率的指向性曲線基本重合,但距離越大,-3dB指向性角越大,如圖3所示?！袂蛐牡秸习宓木嚯x大于四分之一波長時,三個頻率的指向性曲線明顯分開,在正方向出現凹谷,距離越大,谷越深;指向性曲線取得最大值的位置離正方向越遠,如圖4所示?！袂蛐牡秸习寰嚯x大于半波長將出現多峰?！袂蛐牡秸习寰嚯x一定時,頻率越高,指向性曲線變化越明顯。3材料的測量結果選用Φ24mm壓電小球,取球心到障板距離分別為1mm、5mm和7.5mm制作換能器,其導納基本相同,球心距5mm時對應的導納曲線,如圖5。在5m×8m×5m消聲水池測量其指向性,測試頻率分別為71kHz、75kHz和79kHz,測試結果與理論仿真結果如圖6、7、8所示。分析測量結果可知:●球心距障板1mm,小球埋入11mm時,頻率越高,-3dB指向性角越大,如圖6。同時由于此時實際有功部分基本相當于一個半球,通過泡沫反射的情況相對簡單,理論計算與實際測量吻合較好?！癞斍蛐木嗾习?mm,小球埋入7mm時,-3dB指向性開角與理論值吻合,軸向方向指向性幅值比理論值小,如圖7,可能是反射系數與實際不完全符合?！癞斍蛐木嗾习?.5mm,小球埋入4.5mm時,指向性取最大值的角度一致,但因反射情況復雜,指向性曲線與理論相差較多,如圖8?！癞斁嚯x一定時,頻率越高,指向性曲線軸向起伏越厲害?！癞旑l率一定時,球心到障板距離越大,指向性曲線軸向凹陷越深?！窭碚摲抡嬷赶蛐郧€圓滑,實際測量曲線有較多起伏,與理論不完全相符,這是因為小球埋入障板的部分不向外輻射聲波,但這部分的振動會對未埋入部分產生影響,情況較復雜?！裰C振頻率處理論與實際測量吻合相對較好,可能與諧振時振幅大有關。4換能器仿真及結果分析帶障板壓電圓球換能器指向性受工作頻率,球心距障板距離和障板反聲系數等一系列因素的影響。換能器設計時,要綜合考慮球心距和頻率對指向性的影響,選擇合適的參數,使換能器達到期望的性能指標。當工作頻率一定時,球心到障板的距離是主要的影響因素,通過仿真和測試驗證,當球心距取5mm時換能器能實現-3dB指向性角達到120o。同時為了降低后蓋板對輻射指向性的影響,泡沫反聲障板與后蓋板用硫化橡膠粘結,避免剛性接觸。換能器在諧振頻率,具有振