一种正弦阶梯喇叭形声换能器及换能方法与流程

本发明属于机械振动技术领域，具体涉及到正弦阶梯喇叭形声换能器及换能方法。

背景技术：

向流体介质中(特别是向空气介质中)辐射的大功率辐射声波有诸多应用，如声悬浮、声凝聚、声波除尘、声驱鸟等。为了能够向空气介质中辐射大功率声波，换能器的机械阻抗要较好地与空气介质的声阻抗进行匹配，目前用于最多的是西班牙学者gallego提出的一种复合弯曲振动换能器，它由薄圆盘形辐射器和压电夹心式纵振换能器组成复合振动模式，换能器与圆盘中心联结，压电换能器激励起纵振动致使圆盘作弯曲振动，并向空气介质中辐射强功率声波，大面积的薄圆盘工作时为弯曲振动模式，但是其在使用时必需保证薄圆盘形辐射器和压电夹心式纵振换能器的频率一致产生共振，对设备的设计精度要求较高，此外，这种复合弯曲振动换能器的另一个缺点是圆盘直径较大，频率越低则其尺寸越大，因此在需要低频应用环境中其体积较大，辐射声场中指向性较差，电压发射响应偏低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服上述装置的缺点，即提供一种尺寸较小、结构简单、辐射声场的指向性尖锐且电压发射响应高的的正弦阶梯喇叭形声换能器。

同时，本发明还提供了一种用上述正弦阶梯喇叭形声换能器及换能方法实现的提高声换能器电压发射响应性能的换能方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种正弦阶梯喇叭形声换能器，其包括连接在换能器前盖板上的喇叭以及垂直设置在喇叭内侧的正弦阶梯；

所述正弦阶梯设置在喇叭内侧相邻的振动节线之间，在喇叭截面上，以前盖板与喇叭母线的交点为原点，喇叭母线延伸线为x轴，过原点向正弦阶梯突起方向延伸的直线为y轴，正弦阶梯的表面正弦曲线为：

其中，λ为空气中声波波长，y为正弦阶梯的突起高度；a为第一条振动节线与喇叭母线的交点，b为与第一条振动节线相邻的第二条振动节线与喇叭母线的交点，s为参量，s∈[0,1]，x为正弦阶梯上任意一点在x轴的横坐标；

所述正弦阶梯上任意一点的相位为πsin(πs)。

进一步限定，所述喇叭的长度l为30～100mm，张角θ为30°～75°，壁厚t为1.8～5.4mm，工作频率为15～30khz。

一种基于上述的正弦阶梯喇叭形声换能器的换能方法，具体是：对换能器的压电陶瓷堆施加激励电压，使其产生沿轴向传递的纵向振动，纵向振动传递给喇叭，喇叭使纵向振动转变为与喇叭面垂直的弯曲振动，在喇叭的振动面上确定出振动节线，振动节线两侧区域的振动相位相反，在两两相邻的振动节线之间设置正弦阶梯，利用正弦阶梯使喇叭的振动相位发生改变，在正弦阶梯上任意一点的相位为πsin(πs)，并通过喇叭内表面和正弦阶梯面辐射，在喇叭的中心轴向上声压叠加，使辐射声场的指向性尖锐，电压发射响应提高。

进一步限定，所述纵向振动频率为15～30khz。

进一步限定，所述振动节线的位置利用有限元数值计算方法确定。

进一步限定，所述辐射声场的指向性主瓣3db波束宽度为4～11°；在空气中的电压发射响应tvr不小于90db。

本发明的正弦阶梯喇叭形声换能器主要利用喇叭与正弦阶梯复合，利用喇叭使压电陶瓷堆产生的纵向振动转变为与喇叭面垂直的弯曲振动，利用正弦阶梯使喇叭的振动相位发生改变，通过喇叭内表面和正弦阶梯面辐射，在喇叭的中心轴向上声压叠加，使辐射声场的指向性尖锐，电压发射响应提高，使声辐射能量在中心轴上提高10倍之多；同时以此避免振动节线两侧的相位相反引起的声场相消干涉，减小了换能器的尺寸，实现相对高频、小尺寸的应用需求。

附图说明

图1为本发明的正弦阶梯喇叭形声换能器的结构示意图。

图2为工作频率同为20.5khz时，实施例1的正弦阶梯喇叭形声换能器的电压发射响应tvr曲线。

图3为工作频率同为20.5khz时，实施例1的正弦阶梯喇叭形声换能器的指向性图。

图4为工作频率同为19.9khz时，对比例的复合弯曲振动换能器的电压发射响应tvr曲线。

图5为工作频率同为19.9khz时，对比例的复合弯曲振动换能器的指向性图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。

参见图1，本发明的正弦阶梯喇叭形声换能器包括依次设置在同一轴线上的后盖板1、压电陶瓷堆2、前盖板3以及喇叭4，后盖板1、前盖板3以及喇叭4的材料为45#钢，后盖板1、压电陶瓷堆2和前盖板3通过穿过中心轴的螺栓固定，喇叭4的底端固定在前盖板3的前端，喇叭4的长度l为30～100mm，张角θ为30°～75°，壁厚t为1.8～5.4mm，工作频率为15～30khz。在喇叭4的内侧还设置有向内突起的圆圈形正弦阶梯5，该正弦阶梯5设置在喇叭4内侧相邻的振动节线之间。

在喇叭4截面上，以前盖板3与喇叭4母线的交点为原点，喇叭4母线延伸线为x轴，过原点向正弦阶梯5突起方向延伸的直线为y轴，正弦阶梯5的表面正弦曲线为：

其中，λ为空气中声波波长，y为正弦阶梯5的突起高度；a为第一条振动节线与喇叭4母线的交点，b为与第一条振动节线相邻的第二条振动节线与喇叭4母线的交点，s为参量，s∈[0,1]，x为正弦阶梯5上任意一点在x轴的横坐标；

用该正弦阶梯喇叭形声换能器实现的换能方法，具体为：

对换能器的压电陶瓷堆2施加激励电压，使其产生沿轴向传递的振动频率为15～30khz的纵向振动，纵向振动传递给喇叭4，喇叭4使纵向振动转变为与喇叭4面垂直的弯曲振动，在喇叭4的振动面上确定出振动节线，振动节线两侧区域的振动相位相反，在两两相邻的振动节线之间设置正弦阶梯5，利用正弦阶梯5使喇叭4的振动相位发生改变，在正弦阶梯5上任意一点的相位为πsin(πs)，并通过喇叭4内表面和正弦阶梯5面辐射，在喇叭4的中心轴向上声压叠加，使辐射声场的指向性尖锐，电压发射响应提高，声辐射能量提高10倍之多。

本发明的正弦阶梯喇叭形声换能器的辐射声场指向性主瓣3db波束宽度为4～11°；在空气中的电压发射响应tvr不小于90db。

当换能器的前盖板3与喇叭4的接触面直径d＝25mm时，本发明的正弦阶梯喇叭形声换能器对应各实施例及性能参数如下表1所示。

表1正弦阶梯喇叭形声换能器的实施例及对应性能参数

从上表1可知，在输入电功率不变的情况下，整个声振动系统辐射声场的指向性越尖锐，电压发射响应越高则声辐射能越大，工作效率也就越高。

将本发明实施例1的正弦阶梯喇叭形声换能器与现有技术中的复合弯曲振动换能器(对比例)的对比数据，本发明的换能器前端与喇叭4接触面直径与对比例中复合弯曲振动换能器和薄圆盘接触面直径相同(d＝500mm)，且换能器压电陶瓷片尺寸和数量相同的情况下，两种换能器的电压发射响应tvr和主瓣3db波束宽度的比较，结果如下表2以及图2、3、4和5所示。

表2复合弯曲振动换能器的声参数

将图2、3与图4、5对比，并结合表2可知，本发明的正弦阶梯喇叭形声换能器与现有的复合弯曲振动换能器在相同的工作频率条件下指向性明显提高很多，本发明实施例1的电压发射响应tvr在90db以上，主瓣3db波束宽度在4～11°之间，而对比例的复合弯曲振动换能器无主瓣。

由此说明，本发明正弦阶梯喇叭形声换能器在工作频率相同时产生的辐射声场指向性更为尖锐、电压发射响应性能也能整体上更高。