铁镓合金宽带换能器及其激励方式研究

A broadband transducer with new magnetostrictiv material Fe-Ga alloy as driving element is proposed, and relavant technology of Fe-Ga transducer is studied. Unlike the traditional method, the driving elements Fe-Ga alloy are directly driven without DC current bias or permament magnet bias, which is beneficial to reducing the complexity in structure and technique; using new driving way，that is，the frequency of the driving signal is half of the sound frequency, which decreases the eddy current loss and increases the acoustic mechanical effeciency; the magnetostriction is utillied twice as much as that used with traditional method,which improves the work performances. An integrated analytical model will be established incorporating the Equivalent Circuit Method with the Finite Element Mothed to assist in the design of the transducer. By analyzing the relationship between the vibrating parameters and the structural parameters, optimizing the structure of the transducer and reasonably using the logitudinal mode and flexual mode, a prototype of the transducer is to be developed with good transmitting performances, such as resonant frequency ≤5kHz with -3dB bandwidth larger than 1 octave,sound level larger than 190dB.

提出一种新材料宽带换能器，采用新型磁致伸缩材料--铁镓合金（Fe-Ga）作为驱动元件，突破传统磁致伸缩材料换能器的设计方法，研究探索Fe-Ga材料应用于换能器设计的新思路和关键技术：不使用永磁体或直流偏磁，直接施加激励信号，降低结构与工艺复杂度；采用新的激励方式，激励信号频率为声波信号频率的一半，大幅降低涡流损耗；最大限度地利用铁镓合金材料的磁致伸缩应变量，为传统方法的 2倍，提高机-声效率，并有效提高辐射性能。将研究建立等效电路方法与有限元方法相结合的综合分析模型，并应用于换能器的设计与优化。分析换能器结构参数与振动辐射参数的变化规律，合理利用纵向振动及弯曲振动等模态展宽频带，设计优化换能器结构，研制换能器样品，实现换能器良好的辐射特性：谐振频率不大于5kHz，-3dB带宽大于1个倍频程，声源级大于190dB。

铁镓合金（Galfenol）是一种新型磁致伸缩材料，具有中等磁致伸缩应变量，高磁导率，低饱和磁场强度，良好的可加工性等特点。本项目针对Galfenol在水声换能器中的应用及非线性驱动等方面开展了相关的研究。.首先，研究设计了2个Galfenol纵向换能器，对比分析了永磁偏置和无偏置磁场Galfenol纵向换能器的振动辐射特性，并重点研究了无偏置磁场换能器的非线性驱动性能，通过设计输入电信号函数（半频）以匹配磁致伸缩非线性应变函数，得到近似正弦波输出（倍频）。测试结果表明，永磁偏置Galfenol换能器谐振频率为4400Hz，发射电流响应为189dB，用L10功放测量声源级可到190.3dB；无偏置磁场Galfenol换能器的谐振频率为4200Hz，采用无偏场的正弦半频驱动方式用L10功放测量声源级可到177.4dB，而采用本课题所设计的非线性输入波形，得到了正弦波声压信号，当激励电流4.2A时声源级为192dB。由此可以看出，相同功放条件下，通过设计非线性驱动波形，可以能够得到正弦输出，提高铁镓合金材料形变量的利用率，提高换能器的发射功率。.在此基础上又研究设计了一种弯曲圆盘换能器，充分考虑了涡流损耗、工作频率及切缝的关系，并通过激光测振仪研究了铁镓合金弯曲圆盘换能器在其整个应变区间的位移特性。换能器空气中共振频率为913Hz，利用所设计的非线性驱动信号使辐射头能够产生的最大振动位移达到93μm，磁致伸缩材料达到饱和应变。.结果表明：结合材料本身特点，铁镓材料可应用于水声发射换能器领域，具有较大的发射功率和较好的应用前景。.项目总计发表文章7篇，其中3篇EI检索，2篇核心期刊，1篇国际会议论文（EI检索）,1篇国内会议论文。