陈诚 林书玉

(陕西师范大学,陕西省超声学重点实验室,西安 710119)

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数； 其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路； 最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.

1 引 言

径向振动换能器具有辐射面积大、辐射效率高、径向辐射均匀,作用范围广等优点,因此被广泛应用于水声、超声降解以及声化学等超声液体处理技术领域[1].径向换能器种类主要有以下几种：圆管型压电陶瓷换能器[2]、复合型圆管压电换能器[3]和径向复合压电超声换能器等[4,5].另一方面,2-2型压电复合材料是现在研究最具体、发展前景最好的压电复合材料之一.这种新型材料……