《Sensors and Actuators A: Physical》：A dual rectangular ABH unimorph transducer for airborne ultrasound radiation
编辑推荐：
•ABH原理被整合到矩形单压电换能器的设计中，从而产生了一种新型的RABHT。•ABH增强了振动位移、电声效率和声强传输系数。•D-RABHT的性能表明，通过优化阵列设计，RABHT可以实现更强的声辐射。引言目前，单压电换能器因其结构简单、体积小、适应性强和灵敏度高而被广泛应用于
- •
ABH原理被整合到矩形单压电换能器的设计中，从而产生了一种新型的RABHT。
- •
ABH增强了振动位移、电声效率和声强传输系数。
- •
D-RABHT的性能表明，通过优化阵列设计，RABHT可以实现更强的声辐射。
引言
目前，单压电换能器因其结构简单、体积小、适应性强和灵敏度高而被广泛应用于微型和迷你化系统中。由于驱动电压要求低、工作频带宽、高频响应速度快、环境适应性强以及机电转换效率高，具有不同几何形状和振动模式的单压电换能器已被广泛应用于检测探头[1]、声学传感器[2]、能量收集装置[3]、超声雾化器[4]、超声电机[5]、微流控系统[6]、微操纵器[7]和主动振动隔离器[8]等产品中。作为单压电换能器最基础的应用之一，超声辐射器在超声发射设备中的性能需求不断增长[9]，这得益于超声技术的迅速发展。通常使用辐射声功率的大小来表征换能器的声辐射性能。当考虑输入电能时，电声转换效率成为评估这种性能的关键指标。因此，开发有效策略以提高电声转换效率并优化声阻抗匹配已成为研究的重点，目的是增强传播介质中的声压场。
ABH的概念最早由Mironov在1988年提出[11]。其结构厚度遵循幂律分布，表示为h(x) = ε(1-x)^m（m ≥ 2），这导致弯曲波速度显著降低[12]，[13]，[14]，[15]，从而使振动能量在结构内部得到有效集中。这种设计已被广泛应用于多个领域，包括振动抑制[16]，[17]、噪声降低[18]、波传播控制[19]，[20]，[21]、能量收集[22]，[23]和粒子操控[24]，[25]。最近的研究中，将ABH结构整合到换能器设计中以提高其性能已成为关键研究方向。其基本原理是通过引入ABH轮廓逐渐降低弯曲波的传播速度，从而实现能量集中并显著改善换能器的振动响应特性。
将声学黑洞（ABH）效应引入微操纵换能器可以有效增强声聚焦和声流[24]，[25]，[26]。在楔形超声换能器中采用ABH结构设计显著提高了振动位移幅度和空气耦合性能[27]，[28]。将ABH结构整合到超声刀和浸入式超声反应器中可以提高其工作效率[29]，[30]，[31]。对于基于ABH的模式的转换超声辐射器，振动模式转换与ABH效应的协同作用能够实现高效和高强度的超声辐射[32]，[33]，以及生成适用于声悬浮应用的梯度声压场[34]。
基于这一原理，将ABH概念应用到矩形单压电换能器的设计中，提出了一种新型的RABHT。该设备由矩形单压电层驱动，旨在通过ABH结构增强振动响应，从而提高声辐射强度和整体能量转换效率。数值模拟和实验验证表明，在对称弯曲振动模式下，RABHT的声辐射性能显著提升，并研究了其作为阵列单元的可行性。第2节提出了一种通用且计算效率高的频率计算方法，可以快速准确地计算RABHT的共振频率。第3节进行数值模拟，第4节进行实验研究，结果一致表明，由于ABH结构的协同效应，RABHT具有优异的声辐射性能，显示出其在阵列应用中的巨大潜力。最后一部分系统总结了本研究的主要发现。
章节摘要
理论分析
如图1所示，单元素RABHT（S-RABHT）由一个厚度极化的矩形PZT-4板和一个具有对称ABH轮廓的矩形铝板组成。在交流电压激励下，矩形PZT-4板产生横向振动，这些振动有效地在铝板中诱发对称的弯曲振动。双元素RABHT（D-RABHT）是通过将两个S-RABHT并排水平排列构建的。
数值模拟
在本研究中，使用COMSOL Multiphysics软件中的有限元方法（FEM）系统地研究了S-RABHT和D-RABHT的振动响应和声辐射特性。如图4所示，数值模型包含一个半圆柱形空气域（半径：80 mm，高度：30 mm），周围是一个10 mm厚的完美匹配层（PML）来吸收出射声波。所有换能器都被赋予自由边界条件。
实验
为了评估RABHT的实际性能，选择了D-RABHT和F2进行实验测试，因为D-RABHT表现出优异的性能（如图12所示）。
结论
本文提出ABH结构以提升矩形单压电换能器的性能。通过放大振动位移，ABH结构有效提高了振动速度，从而显著提高了空气耦合声辐射效率。通过对RABHT进行理论分析、数值模拟和实验验证，得出了以下结论：
1. 基于Mindlin一阶...
CRediT作者贡献声明
Wenxu Ye：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、软件。Shuyu Lin：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金筹措。Hao Jiang：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、研究设计、数据分析。Chao Zhang：验证、软件、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的、可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金的支持[项目编号：12574498和12174240]。
Hao Jiang出生于1998年12月22日，中国四川省。他于2023年获得陕西师范大学的硕士学位，目前正在陕西师范大学应用声学研究所攻读博士学位。他的主要研究方向是高功率超声压电换能器和声学黑洞振动系统。
Hao Jiang|Chao Zhang|Wenxu Ye|Shuyu Lin
