径向辐射的Janus换能器研究

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以Janus换能器为核心驱动的Janus-Helmholtz换能器、Janus Hammer-Bell换能器具有径向方向无指向性的特点,但其类似纵向四极子的辐射模式导致其声能集中于轴向方向,径向辐射的声能微乎其微。本论文提出一种径向辐射的Janus换能器,利用传统形式的Janus换能器驱动弯曲盖板,使换能器的四个辐射面构成辐射源强度差,调节此源强度比值,能够实现声能集中于径向,达到径向辐射的目的。同时,对新结构的低频指向性特性和宽带发射机理进行理论分析,并对其发射性能进行仿真分析、优化设计,最后制作实验样机进行测试验证。首先,将Janus换能器的四个辐射面看作阵列中的四个基源,基于直线阵列的指向性理论,推导计算出Janus换能器的声场指向性,绘制指向性图;同时,将设置了弯曲盖板的弯曲式Janus换能器看作不等幅不等间距的四元阵,理论计算其声场指向性,研究不同源强度比对指向性的影响。然后,提出了一阶弯曲、二阶弯曲和Helmholtz共振腔三种模态耦合的宽带实现方式,从附加辐射质量的角度理论分析了弯曲式Janus换能器的弯曲模态谐振频率远低于Helmholtz共振腔谐振频率的原因。其次,利用Comsol有限元软件,对径向辐射的Janus换能器进行模态与谐响应分析,仿真提取各辐射面的等效源强度;通过调节结构参数,研究换能器各结构参数对辐射面前端和背端源强度比的影响,优化换能器的声场指向性。然后,利用Comsol有限元软件,对设置了Helmholtz共振腔的径向辐射Janus换能器的发射性能进行仿真分析,研究换能器的各结构参数对换能器的弯曲谐振频率、Helmholtz共振腔的谐振频率以及发送响应曲线的影响。综合考量该换能器的低频、宽带以及指向性特性,给出最后的优化结果。最后,对换能器的制作工艺进行研究,设计制作了一只工作频率为1.4kHz-3.4kHz的实验样机,在消声水池进行电声性能测试实验,对发送响应及声场指向性的测试结果与理论、仿真结果进行对比。设置了弯曲盖板的Janus-Helmholtz换能器能够实现径向辐射、低频、宽带等优异性能。样机最大长度330mm,空气中重13kg,最大声源级可达190dB,相比于同样尺寸的传统Janus换能器,工作频率更低;相比于同频的圆环型通信换能器,最大尺度不足一半,重量不足四分之一,制作成本更有较大的优势。
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