基于多模态耦合原理的低频宽带换能器
摘要
模态耦合是最常见的实现水声发射换能器宽带发射的方法。但模态耦合换能器的
设计方法不够成熟，缺乏理论支撑，导致设计工作中出现了一些模态耦合问题。本文通
过探究模态之间相位差对模态耦合的影响对模态耦合的理论进行了补充，提出了一种模
态耦合换能器的设计方法。利用这一方法设计并制作了一种低频宽带小尺寸的弯曲式换
能器与一种宽带小尺寸的弯张式换能器。
首先，通过等效电路的方式，探究了相邻模态之间的相位关系对耦合情况的影响。
并提出了一种利用模态之间相位差判断模态耦合情况的方法，可用于模态耦合换能器的
设计工作中。
其次，用中心驱动的方式代替了弯曲式换能器传统的共型驱动方式，提升了弯曲式
换能器在结构上的灵活性。通过改变辐射头的局部刚度，调整相邻弯曲振动模态之间的
相位差使其成功耦合。并利用附加空腔的方法优化了换能器的一阶弯曲振动模态与一阶
纵振动模态之间的耦合情况，进一步降低了发射电压响应曲线的起伏。利用分压电路减
低了高频处的响应，拓宽了弯曲式换能器的工作频带。
再次，利用附加空腔的方法改变了IV型弯张换能器一、二阶弯曲振动模态之间的
相位差。使两个模态成功耦合，拓宽了IV型弯张换能器的工作带宽。
最后，制作了与仿真结构一致的低频宽带弯曲式换能器样机，测得换能器在
1kHz-16kHz的范围内最大发射电压响应为138.5dB,起伏不超过10dB。制作了与仿真结
构一致的宽带IV型弯张换能器样机与相同尺寸的传统IV型弯张换能器样机，测得宽带
IV型弯张换能器在2kHz-7kHz的范围内最大发射电压响应大于111dB，起伏不超过7dB。
模态之间耦合情况得到有效改善。
换能器样机的实测结果表明，通过调整各振动模态的相位，可以有效的改善各模态
之间的耦合情况，拓宽换能器的工作频带。
关键词：宽带；模态耦合；相位；弯曲式；弯张式。
基于多模态耦合原理的低频宽带换能器
ABSTRACT
Modalcouplingtechnologyisthemostcommonmethodtorealizebroadband
transmissionofunderwateracoustictransducer.However,thedesignmethodofmodal
couplingtransducerisnotmatureenoughandlackstheoreticalsupport,whichleadstosome
modalcouplingproblemsindesignwork.Thispapersupplementsthetheoryofmodalcoupling
byexploringtheinfluenceofphasedifferencebetweenmodesonmodalcoupling.Usingthis
method,abendertransducerwithlowfrequency,widebandandsmallsizecharacteristicsanda
flextensionaltransducerwithwidebandandsmallsizecharacteristicsaredesignedand
manufactured.
Firstly,theinfluenceofphaserelationshipbetweenadjacentmodesoncouplingis
exploredbymethodofequivalentcircuit.Amethodofjudgingmodalcouplingbyusingthe
phasedifferencebetweenmodesisp