基于虛源法有障板換能器聲場(chǎng)的計(jì)算

基于虛源法有障板換能器聲場(chǎng)的計(jì)算

定向是聲音交換器或聲音交換裝置的重要指標(biāo)之一。根據(jù)不同的用途,對(duì)指向性的要求也不一樣,當(dāng)需要定位準(zhǔn)確時(shí),需要指向性比較尖銳甚至是針型的;當(dāng)用來探測(cè)或者預(yù)警時(shí),希望各角度響應(yīng)起伏不要太大,不要出現(xiàn)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(shí)球形換能器的指向性會(huì)發(fā)生明顯的變化。在障板不可去除的情況下,研究障板對(duì)球形換能器指向性的影響具有重要的實(shí)用意義。障板的性質(zhì)、球心到障板的距離和工作頻率等對(duì)指向性的影響很大。如果是全吸聲障板,到達(dá)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?yàn)檎习宓姆瓷湓斐陕晥?chǎng)疊加,指向性曲線多呈“手指”狀,由于凹谷的存在,探測(cè)和預(yù)警會(huì)出現(xiàn)死角,這是非常危險(xiǎn)的。本文研究球心到反聲障板的距離對(duì)換能器指向性的影響,通過調(diào)整球心距離改善甚至消除凹陷情況,避免“梅花”狀的出現(xiàn),在工作頻率獲得平滑的指向性。1聲壓中聲壓的計(jì)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(jié)構(gòu)外由橡膠灌注而成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。單純的球形壓電換能器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,由于它結(jié)構(gòu)空間對(duì)稱,在空間具有均勻的指向性,常用來做點(diǎn)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(chǎng)較為復(fù)雜,聲場(chǎng)如圖2所示,遠(yuǎn)場(chǎng)中一點(diǎn)P處的聲壓由兩部分組成,一部分是直達(dá)波貢獻(xiàn),另一部分通過泡沫反聲障板反射一次后到達(dá),這就相當(dāng)于波是從虛源發(fā)出到達(dá)P點(diǎn)。球殼半徑為a,球心距聲障板d,脈動(dòng)聲壓為Pr,則有聲障板是軟邊界,反射聲壓相位改變180o,設(shè)反射系數(shù)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(shù)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(huì)發(fā)生漂移,根據(jù)式(3)~(5)仿真分析了球心距取1mm、5mm、7.5mm、9mm和12mm時(shí),71kHz、75kHz和79kHz三個(gè)工作頻率的指向性。其中90o對(duì)應(yīng)障板法線方向。仿真結(jié)果顯示:●球心到障板的距離小于四分之一波長(zhǎng)時(shí),三個(gè)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(zhǎng)時(shí),三個(gè)頻率的指向性曲線明顯分開,在正方向出現(xiàn)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(yuǎn),如圖4所示?！袂蛐牡秸习寰嚯x大于半波長(zhǎng)將出現(xiàn)多峰?！袂蛐牡秸习寰嚯x一定時(shí),頻率越高,指向性曲線變化越明顯。3材料的測(cè)量結(jié)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(dǎo)納基本相同,球心距5mm時(shí)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納曲線,如圖5。在5m×8m×5m消聲水池測(cè)量其指向性,測(cè)試頻率分別為71kHz、75kHz和79kHz,測(cè)試結(jié)果與理論仿真結(jié)果如圖6、7、8所示。分析測(cè)量結(jié)果可知:●球心距障板1mm,小球埋入11mm時(shí),頻率越高,-3dB指向性角越大,如圖6。同時(shí)由于此時(shí)實(shí)際有功部分基本相當(dāng)于一個(gè)半球,通過泡沫反射的情況相對(duì)簡(jiǎn)單,理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量吻合較好?！癞?dāng)球心距障板5mm,小球埋入7mm時(shí),-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(shù)與實(shí)際不完全符合?！癞?dāng)球心距障板7.5mm,小球埋入4.5mm時(shí),指向性取最大值的角度一致,但因反射情況復(fù)雜,指向性曲線與理論相差較多,如圖8?！癞?dāng)距離一定時(shí),頻率越高,指向性曲線軸向起伏越厲害?！癞?dāng)頻率一定時(shí),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(shí)際測(cè)量曲線有較多起伏,與理論不完全相符,這是因?yàn)樾∏蚵袢胝习宓牟糠植幌蛲廨椛渎暡?但這部分的振動(dòng)會(huì)對(duì)未埋入部分產(chǎn)生影響,情況較復(fù)雜?！裰C振頻率處理論與實(shí)際測(cè)量吻合相對(duì)較好,可能與諧振時(shí)振幅大有關(guān)。4換能器仿真及結(jié)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(shù)等一系列因素的影響。換能器設(shè)計(jì)時(shí),要綜合考慮球心距和頻率對(duì)指向性的影響,選擇合適的參數(shù),使換能器達(dá)到期望的性能指標(biāo)。當(dāng)工作頻率一定時(shí),球心到障板的距離是主要的影響因素,通過仿真和測(cè)試驗(yàn)證,當(dāng)球心距取5mm時(shí)換能器能實(shí)現(xiàn)-3dB指向性角達(dá)到120o。同時(shí)為了降低后蓋板對(duì)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(jié),避免剛性接觸。換能器在諧振頻率,具有振