趙雙 董銘鋒 唐義政

（第七一五研究所，杭州，310023）

匹配層三諧振寬帶換能器設(shè)計

趙雙 董銘鋒 唐義政

（第七一五研究所，杭州，310023）

借助ANSYS軟件，采用多諧振加匹配層的方案，設(shè)計了一款低頻寬帶大功率發(fā)射換能器。通過仿真優(yōu)化，調(diào)整壓電陶瓷和匹配層厚度，實現(xiàn)單個換能器12～41 kHz發(fā)射響應(yīng)〉134 dB，頻帶內(nèi)響應(yīng)起伏〈±4 dB，發(fā)射聲源〉190 dB，20 kHz和30 kHz指向性開角〈80°，仿真與實測結(jié)果基本吻合。

水聲換能器；有限元分析；寬帶；匹配層；多諧振

半實物仿真測試系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的準確又經(jīng)濟的測試手段。用于模擬目標在水中運動狀態(tài)和分辨力的半實物仿真系統(tǒng)要求換能器能夠覆蓋各種測試目標的工作頻帶，并且在頻帶內(nèi)有較平坦的響應(yīng)，為測試分辨力還要求換能器有較小的指向性角。

然而單諧振換能器Qm很難做到3以下，為了擴展帶寬，目前常用且有效的方法主要有：縱向振動與輻射頭彎曲振動耦合法、雙激勵源法、多質(zhì)量-彈簧振動系統(tǒng)、單匹配層換能器、多匹配層換能器和柔順層換能器等。在工程實踐中，工作頻率在10～100 kHz頻段內(nèi)，單匹配層換能器是最成熟而行之有效的方法。

文獻[1]介紹了匹配層擴展帶寬的原理，并對單頻換能器進行了帶寬擴展，有一定的效果，但擴展范圍有限；文獻[2]介紹了雙激勵加匹配層的換能器設(shè)計方法，通過合理設(shè)計兩激勵的諧振頻率，再引入匹配層激起第三階振動，實現(xiàn)帶寬擴展，15～42.5 kHz起伏為6 dB，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；文獻[3]介紹了有限元在換能器設(shè)計中的應(yīng)用，設(shè)計的換能器在18～35 kHz頻帶內(nèi)起伏4.5 dB。本文用有限元分析軟件ANSYS設(shè)計了一款低頻寬帶換能器，采用雙諧振加匹配層的方式實現(xiàn)三諧振，工作頻段12～41 kHz、帶寬擴展到29 kHz。

1 匹配層換能器分析與設(shè)計

任何一個換能器都有連續(xù)的一、二、三階縱振模態(tài)，只是由于對稱性原因，有些模態(tài)的耦合系數(shù)較大，容易被激勵，帶寬也較大；有些模態(tài)耦合系數(shù)小，不容易被激勵，帶寬較窄。匹配層的作用：一是破壞了對稱性，使得偶數(shù)階模態(tài)容易被激勵；二是起到聲學(xué)匹配作用，使一、三階諧振頻率降低。

1.1 換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計

換能器由前蓋板、壓電陶瓷、預(yù)應(yīng)力桿、預(yù)應(yīng)力螺母、后蓋板和匹配層等六部分組成。根據(jù)動量守恒原理，為了輻射更多的能量，前蓋板用較輕質(zhì)的硬鋁，后蓋板用45#鋼，結(jié)構(gòu)如圖1。為保證各方向都有對等的指向性曲線，采用喇叭型前蓋板，圓形輻射面。圓形輻射面指向性可由下式表示[4]：

指向性半功率開角為

其中，a是輻射面直徑，k是波數(shù)。

圖1 換能器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 換能器有限元分析

換能器結(jié)構(gòu)軸對稱，所以建1/2二維有限元模型既能保證計算精度又能有效節(jié)省時間。建立換能器空氣中二維模型，得到換能器前三階振動模態(tài)，如圖2。其中圖2(a)和2(c)是壓電元件縱向振動的一、三階模態(tài)，圖2(b)是匹配層激發(fā)的第二階振動模態(tài)。建立換能器水中二維模型，水域半徑滿足遠場條件，通過諧振響應(yīng)分析得到導(dǎo)納曲線，發(fā)射電壓響應(yīng)曲線和指向性如圖3、4、5所示。

圖2 換能器前三階振動模態(tài)示意圖

圖3 換能器導(dǎo)納仿真曲線與水池測量曲線

圖4 換能器發(fā)射電壓響應(yīng)

圖5 換能器指向性

水環(huán)境中仿真結(jié)果顯示：1、換能器壓電縱向振動模態(tài)一、三階諧振頻率為13 kHz和36.5 kHz，匹配層引起的振動模態(tài)頻率22 kHz；2、12.5 kHz～40 kHz頻段內(nèi)，發(fā)射電壓響應(yīng)級最大值144.5 dB，最小值138.6 dB起伏小于6 dB；3、分析換能器20 kHz和30 kHz頻率點指向性曲線，結(jié)果顯示?3 dB指向性開角分別為72°和52°。

2 實驗測量

按仿真設(shè)計制作的換能器如圖6所示，并在5 m×5 m×8 m的半消聲水池中測量其各性能指標，如圖4、5所示。12～42 kHz范圍內(nèi)有三個諧振點， 發(fā)射電壓響應(yīng)大于134 dB，起伏小于±4 dB，發(fā)射聲源級可達190 dB。指向性與仿真較一致，20 kHz和30 kHz頻率?3 dB指向性開角分別為68.9°和57.9°。仿真顯示尾部也有較多輻射，但實測中尾部輻射較少，是因為換能器裝在測量筒中，實測中尾部主要是繞射。

圖6 換能器實物

3 小結(jié)

通過多階振動的方法實現(xiàn)寬頻帶工作，換能器結(jié)構(gòu)簡單，工藝實現(xiàn)方便，具有工程應(yīng)用價值。ANSYS有限元仿真基本能反應(yīng)換能器的真實情況，是換能器設(shè)計和優(yōu)化的有效工具，所制作的換能器各項指標均滿足設(shè)計要求， 具有重要的設(shè)計參考意義。

[1]俞宏沛 李繼增 林家旺.采用匹配層的超寬帶換能器實驗研究[J].聲學(xué)與電子工程,1998,(1):23-26.

[2]劉望生,胡青,何濤.三諧振寬帶換能器理論分析與實驗研究[J].聲學(xué)與電子工程,2007,增刊:151-153.

[3]仲林健,唐軍.匹配層寬帶換能器發(fā)射性能的有限元優(yōu)化分析[J].聲學(xué)與電子工程,2008,(2):31-34.

[4]欒桂冬,張金鐸,王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京:北京大學(xué)出版社,2005.

表2 有無匹配層的測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

受實際復(fù)雜海洋環(huán)境條件和信號處理硬件計算資源小的限制，被動測距、測深功能在聲速梯度結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等條件下存在誤差變大、甚至無法測距測深的現(xiàn)象，急切需要提高設(shè)備的檢測精度。針對ADCP的發(fā)展需求，本文開展相控陣降低旁瓣的布陣方式及成陣技術(shù)研究，并找到一些方法。今后高頻相控陣需要在大深度、工藝和可靠性上進行摸索，提高高頻相控陣成陣技術(shù)。

參考文獻：

[1]田坦.水下定位與導(dǎo)航技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[2 欒桂冬,張金鐸,王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京:北京大學(xué)出版社,2005.

[3]鐘琴琴.一種高頻寬帶相控陣[J].聲學(xué)與電子工程,2007,增刊:169-172.