張振雨，王艷，陳光華

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一款低頻雙端縱振-亥姆霍茲換能器

張振雨，王艷，陳光華

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

對(duì)一款諧振頻率接近500Hz的雙端縱振-亥姆霍茲換能器進(jìn)行研究，利用電-力-聲類(lèi)比電路理論對(duì)低頻性能進(jìn)行定性分析；利用ATILA有限元仿真對(duì)電聲性能進(jìn)行定量預(yù)計(jì)；描述了雙端振子的裝配過(guò)程；制作了換能器樣機(jī)，并對(duì)性能進(jìn)行測(cè)試及分析。結(jié)果表明仿真分析較為準(zhǔn)確，雙端振動(dòng)具有較高的一致性，最終實(shí)現(xiàn)了低頻大功率發(fā)射。

亥姆霍茲諧振腔；雙端縱向振動(dòng)；低頻深水換能器；預(yù)應(yīng)力控制；一體化裝配

0 引言

從上世紀(jì)70年代至今，亥姆霍茲諧振腔換能器(簡(jiǎn)稱(chēng)亥姆霍茲換能器)作為一種低頻深水聲發(fā)射器出現(xiàn)已經(jīng)有40多年的歷史。在此期間先后出現(xiàn)了以彎曲振動(dòng)、圓環(huán)徑向振動(dòng)、雙端縱向振動(dòng)等作為驅(qū)動(dòng)方式的亥姆霍茲換能器。這類(lèi)換能器一般由驅(qū)動(dòng)源及諧振腔這兩部分組成，其通常的工作原理為：驅(qū)動(dòng)源的振動(dòng)帶動(dòng)剛性腔內(nèi)部流體的振動(dòng)，并經(jīng)由腔體上開(kāi)口處傳遞到外部。

根據(jù)電-力-聲類(lèi)比基礎(chǔ)理論[1]：諧振腔內(nèi)流體等效為彈簧元件，開(kāi)口處流體等效為質(zhì)量元件，在振動(dòng)中的摩擦阻力及粘滯阻力等效為阻尼元件，因此諧振腔可以簡(jiǎn)單等效為“彈簧-質(zhì)量-阻尼的受迫振動(dòng)”系統(tǒng)，該系統(tǒng)的諧振頻率稱(chēng)為亥姆霍茲諧振頻率。因此，亥姆霍茲換能器的類(lèi)比等效電路將包括諧振腔部分與驅(qū)動(dòng)源部分[2]，由此可知該換能器具有兩方面特點(diǎn)：(1) 亥姆霍茲諧振頻率低于驅(qū)動(dòng)源自身的本征諧振頻率。(2) 亥姆霍茲諧振處的Q值較高。最初引入亥姆霍茲諧振腔作為水聲發(fā)射器也是出于上述兩點(diǎn)考慮。

1 工作原理

近年來(lái)，一種被稱(chēng)為“雙端縱振-亥姆霍茲換能器”(Janus-Helmholtz, JH)受到較廣泛關(guān)注。究其原因是由于該換能器可以在幾百赫茲的低頻段實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射，且工作深度一般不受限制，因而廣泛用于海洋采礦業(yè)、海底電纜線(xiàn)路調(diào)查、大陸架測(cè)量等方面[3,4]。

JH換能器采用雙端縱向振子(簡(jiǎn)稱(chēng)Janus)作為驅(qū)動(dòng)源，在振子的兩個(gè)頭質(zhì)量塊處圍繞兩個(gè)剛性圓柱殼，圓柱殼內(nèi)部的流體通過(guò)位于中央平面的開(kāi)口與外界流體相連通，構(gòu)成諧振腔，如圖1所示。

該換能器的工作原理為：Janus的雙端振動(dòng)帶動(dòng)諧振腔內(nèi)部水介質(zhì)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，腔內(nèi)部的聲能量經(jīng)由開(kāi)口處輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)。因此，諧振腔與驅(qū)動(dòng)源的耦合振動(dòng)將出現(xiàn)兩個(gè)諧振頻率，其中較低的稱(chēng)為亥姆霍茲諧振頻率。

關(guān)于小尺寸的JH換能器及陣列的初步研究工作已經(jīng)開(kāi)展[5,6]，本文將重點(diǎn)介紹一款諧振頻率接近500 Hz的雙端縱振-亥姆霍茲換能器(簡(jiǎn)稱(chēng)JH500)。依次從理論分析、仿真設(shè)計(jì)、Janus振子裝配、性能測(cè)試及結(jié)果分析進(jìn)行描述。

2 理論基礎(chǔ)

利用電-力-聲類(lèi)比基礎(chǔ)理論，對(duì)JH換能器的部分性能進(jìn)行定性分析。將JH換能器的驅(qū)動(dòng)源電路與諧振腔電路連接，形成的等效電路[6]如圖2所示。

對(duì)Janus振子施加電壓，通過(guò)機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為力，使Janus振子產(chǎn)生類(lèi)彈簧-質(zhì)量-阻尼(C-M-R)的受迫振動(dòng)。通過(guò)機(jī)聲轉(zhuǎn)換系數(shù)將力轉(zhuǎn)化為聲壓。這里存在兩個(gè)輻射體，即頭質(zhì)量塊外表面的直接輻射和諧振腔經(jīng)由開(kāi)口的輻射，由于后者是由頭質(zhì)量塊內(nèi)表面推動(dòng)，因此與前者相位相反。這里將聲部分電路分為上下兩部分。在上部分電路中，M、R表示頭質(zhì)量塊外表面的輻射阻抗；在下部分電路中，聲線(xiàn)流經(jīng)腔聲順C、開(kāi)口聲質(zhì)量M、腔損失阻R以及諧振腔的輻射阻抗0、0。

式中：C包括機(jī)械力順C及腔聲順C，后者與腔體積成正比；M包括聲質(zhì)量M及瑞利末端修正質(zhì)量抗0，前者反比于開(kāi)口截面積[2]。由此可知，增大腔體積與減小開(kāi)口截面積均可以降低亥姆霍茲諧振頻率。為了保持功率/體積比率，增大腔體積意味著Janus振子隨之增大，即JH換能器整體尺寸增大；減小開(kāi)口截面積意味著圖1中圓柱殼拉長(zhǎng)，將導(dǎo)致腔損失阻R增大，使輻射聲能量降低[7]。另一方面也說(shuō)明當(dāng)腔體積與開(kāi)口截面積同時(shí)增大或減小時(shí)，諧振頻率可以保持不變。

本文的JH換能器，根據(jù)上述理論基礎(chǔ)，通過(guò)仿真計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 仿真設(shè)計(jì)

在JH500換能器的仿真設(shè)計(jì)中，將借助于ATILA有限元仿真軟件，其后處理可將計(jì)算結(jié)果直觀顯示為換能器的電聲性能。

ATILA仿真分析分為兩個(gè)階段：(a) 利用GID軟件建立模型；(b) 利用ATILA求解器進(jìn)行計(jì)算及分析。由于JH500換能器幾何結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱(chēng)性及雙端對(duì)稱(chēng)性，GID中的仿真模型可簡(jiǎn)化為1/2二維軸對(duì)稱(chēng)模型，如圖3所示。

圖3為JH500在水中的有限元模型，其中對(duì)稱(chēng)軸方向?yàn)閾Q能器的軸向，與之垂直的方向?yàn)閺较?。在材料屬性方面：Janus振子的頭質(zhì)量塊為鋁；中心質(zhì)量塊、螺桿及圓柱殼材料為鋼；壓電陶瓷為PZT4；流體介質(zhì)為水。經(jīng)過(guò)施加載荷、邊界條件等過(guò)程后，即可利用ATILA進(jìn)行求解計(jì)算。

結(jié)合理論基礎(chǔ)將大量的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)仿真模型的幾何尺寸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，優(yōu)化后得到一款JH500水中電導(dǎo)曲線(xiàn)及發(fā)送電壓響應(yīng)TVR曲線(xiàn)，分別如圖4、5所示。

4 Janus振子裝配

由于JH500的雙端縱振子尺寸較大，若對(duì)兩側(cè)壓電陶瓷堆的預(yù)應(yīng)力控制不當(dāng)，則容易出現(xiàn)受力不均勻、中心節(jié)點(diǎn)偏移以及同軸性差等問(wèn)題，這將導(dǎo)致?lián)Q能器雙端振動(dòng)不一致，進(jìn)而影響其電聲性能及可靠性。為了盡可能避免上述問(wèn)題出現(xiàn)，本文采用一體化裝配結(jié)合預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)完成雙端縱振子的預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程，即為了確保雙端振動(dòng)的一致性及對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)對(duì)兩側(cè)陶瓷施加相等的預(yù)應(yīng)力，避免了單獨(dú)施加預(yù)應(yīng)力在機(jī)械方面可能存在的偏差。在預(yù)應(yīng)力精確控制方面，采用了先進(jìn)的液壓系統(tǒng)、精密的力學(xué)傳感器及數(shù)字化的實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，從而大幅度提高了預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性及可控性，該裝配系統(tǒng)的組成框架如圖6所示。

圖6所示的Janus振子裝配系統(tǒng)包括液壓控制系統(tǒng)、數(shù)字實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)、一體化裝配系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加時(shí)，液壓控制系統(tǒng)將對(duì)一體化裝配系統(tǒng)固定的Janus雙端縱振子施加力，同時(shí)借助力學(xué)傳感器將力的數(shù)值反饋給數(shù)字實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步調(diào)整液壓控制系統(tǒng)，直至預(yù)應(yīng)力施加結(jié)束。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

在消聲水池完成了JH500換能器(樣機(jī)見(jiàn)圖7)電聲性能的測(cè)試，現(xiàn)將測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)試結(jié)果如圖8、9所示。

5.1 水中電導(dǎo)

由圖8可知測(cè)試及仿真的電導(dǎo)曲線(xiàn)基本相同，測(cè)得第一諧振頻率為480 Hz，第二諧振頻率為1340 Hz。但處電導(dǎo)值偏差較大，說(shuō)明在亥姆霍茲諧振處，實(shí)際的品質(zhì)因數(shù)Q大于仿真值。

5.2 發(fā)送電壓響應(yīng)

圖9(a)、9(b)分別給出了JH500換能器在軸向及徑向的發(fā)送電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)測(cè)試值及仿真值。

由圖9可知，測(cè)試及仿真的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線(xiàn)隨頻率變化趨勢(shì)基本相同。但在亥姆霍茲諧振處仿真的響應(yīng)值與測(cè)試的相差較大，這說(shuō)明實(shí)際情況下諧振腔損失能量較大。

(a) 軸向

(b) 徑向

圖9 JH500換能器發(fā)送電壓響應(yīng)曲線(xiàn)

Fig.9 The transmitting voltage response curves of JH500

5.3 指向性

圖10給出了JH500換能器在軸向平面內(nèi)指向性的測(cè)試結(jié)果及ATILA仿真結(jié)果，其中0°及180°方向?yàn)閾Q能器的軸向；90°及270°方向?yàn)閾Q能器的徑向。

由圖10可知：測(cè)試及仿真的指向性隨頻率變化的趨勢(shì)一致。當(dāng)頻率<1000 Hz時(shí)，軸向聲能量較大，當(dāng)頻率逐漸增大，軸向聲能量減小，徑向聲能量增大；頻率=1000 Hz時(shí)，指向性近似全向；頻率>1000 Hz時(shí)，徑向聲能量較大。

此外，測(cè)試指向性圖具有較好的對(duì)稱(chēng)性則說(shuō)明雙端振動(dòng)的一致性較高，這歸功于良好的預(yù)應(yīng)力施加和結(jié)構(gòu)裝配精度。為了更直接地說(shuō)明雙端振動(dòng)的一致性，僅對(duì)雙端振子Janus500進(jìn)行測(cè)試，在偏離軸向的不同角度上比較Janus500兩端輻射聲壓級(jí)差值Δ隨頻率變化情況，如圖11所示。

圖11中=-30°表示順時(shí)針偏離軸向30°的聲壓級(jí)差值Δ，即330°方向聲壓級(jí)330°與150°方向聲壓級(jí)150°的差值。同理，=-15表示345°-165°；=0表示0°-180°；=15則表示逆時(shí)針偏離軸向15°的聲壓級(jí)差值Δ=15°-195°；=30表示30°-210°。

由圖11中的離散數(shù)據(jù)可知：(1) 當(dāng)頻率∈[600,1400] Hz，偏離軸向角度∈[-30°, 30°]，Δ∈[-0.3，0.3] dB。(2) 由Δ上下半?yún)^(qū)間離散點(diǎn)的分布情況可知，點(diǎn)數(shù)ΔSPL>0：點(diǎn)數(shù)ΔSPL=0：點(diǎn)數(shù)ΔSPL<0的比值為19:15:11。上述兩點(diǎn)說(shuō)明：在軸向附近區(qū)域由Janus500振子雙端振動(dòng)產(chǎn)生的輻射聲波聲壓級(jí)略有不同，但差異非常小。即說(shuō)明雙端振動(dòng)的一致性較高，進(jìn)而驗(yàn)證了良好的預(yù)應(yīng)力施加和結(jié)構(gòu)裝配精度。

5.4 聲源級(jí)

在400~1400 Hz頻段，對(duì)JH500換能器施加近似900 Vrms的電壓，測(cè)得在軸向、對(duì)應(yīng)的最大聲源級(jí)分別為198 dB、197 dB，最小聲源級(jí)為188 dB(=600 Hz)；徑向1、2對(duì)應(yīng)的最大聲源級(jí)分別為196 dB、203 dB，最小聲源級(jí)為184dB(=600 Hz)。

JH500換能器的性能參數(shù)如表1所示。

表1 JH500換能器性能參數(shù)

6 結(jié)論

本文從理論分析、仿真設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、性能測(cè)試及結(jié)果分析這幾方面對(duì)雙端縱向振動(dòng)-亥姆霍茲換能器JH500進(jìn)行論述及分析，結(jié)果表明：

(1) ATILA仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對(duì)JH500換能器電聲性能較準(zhǔn)確的預(yù)計(jì)。

(2) 一體化裝配與預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)確保了JH500雙端振動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性。

(3) JH500換能器在亥姆霍茲諧振處具有較高Q的同時(shí)諧振腔損失能量也較大。

(4) 隨頻率增大，JH500換能器的聲能量逐步由軸向向徑向集中。

(5) JH500實(shí)現(xiàn)了在400~1400 Hz頻段大功率發(fā)射。

綜上所述，JH500換能器將在深水拖曳陣、淺地層剖面設(shè)備、超遠(yuǎn)距離水聲通信設(shè)備等方面具有較好的應(yīng)用前景。

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A low frequency Janus-Helmholtz transducer

ZHANG Zhen-yu, WANG Yan, CHEN Guang-hua

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

The Janus-Helmholtz transducer with the resonancefrequency near 500Hz is presented in this paper. Firstlythe theory of equivalent circuit is used for qualitative analysis of low frequency performance and ATILA finite element simulation technique is used for quantitative analysis of the transducer. Then the assembly of Janus500 is described and the Janus-Helmholtz transducer sample is developed and its performance is tested and discussed. The results indicate that the simulation analysis is relatively accurate and the coherence between double ends’ vibrations is good enough. Finally the performance of the transducer in low frequency and high power is achieved.

Helmholtz resonator; double-ended longitudinal vibration; low frequency deep-submergence transducer；pre-stress control; integrative assemblage

TB552

A

1000-3630(2015)-02-0188-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.018

2014-02-18;

2014-04-28

張振雨(1983－), 男, 遼寧鞍山人, 碩士, 研究方向?yàn)榈皖l深水大功率發(fā)射器。

張振雨, E-mail: allen3514@hotmail.com