李寬，藍(lán)宇

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稀土IV型彎張換能器研究

李寬1,2,3，藍(lán)宇1,2

(1. 哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001； 3. 中電科海洋信息技術(shù)研究院有限公司，北京 100041)

IV型彎張換能器低頻發(fā)射時(shí)具有尺寸小、重量輕的特點(diǎn)，是一種常用的水下低頻大功率聲源。稀土超磁致伸縮材料相較于壓電陶瓷擁有更大的應(yīng)變量和能量密度，并且楊氏模量較小，可以有效降低換能器諧振頻率。利用稀土超磁致伸縮材料作為激勵(lì)材料，設(shè)計(jì)了一種低頻IV型彎張換能器，對(duì)其靜態(tài)磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，構(gòu)建出雙棒式磁路，并使用有限元分析軟件進(jìn)行了換能器的結(jié)構(gòu)建模與計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果制作了稀土IV型彎張換能器樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的換能器與仿真結(jié)果吻合較好，水中諧振頻率為370 Hz，最大聲源級(jí)為196 dB，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻、大功率發(fā)射。

稀土材料；磁致伸縮；彎張換能器；有限元

0 引言

稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)近些年備受青睞，被視為水聲換能器極具潛力的一種激勵(lì)材料，因其不僅擁有較高的耦合系數(shù)，而且應(yīng)變比傳統(tǒng)鎳或壓電材料大得多，此外還具有能量密度高、楊氏模量低的特點(diǎn)，此種材料制成的換能器很適于在遠(yuǎn)程聲吶及其他低頻水聲系統(tǒng)中應(yīng)用[1,2]。稀土超磁致伸縮材料在縱振式以及圓環(huán)等換能器中都得到了較為廣泛的應(yīng)用，可有效降低換能器的工作頻率[3-5]，Butler的研究團(tuán)隊(duì)還將多個(gè)由稀土材料激勵(lì)的縱向活塞結(jié)構(gòu)組成柱狀換能器，利用不同活塞的極性組合形成多種指向性，和同尺寸壓電陶瓷激勵(lì)的換能器相比功率更高[6]。

IV型彎張換能器具有典型的位移放大特性，并且低頻發(fā)射時(shí)具有尺寸小、重量輕的特點(diǎn)，是一種常用的水下低頻大功率聲源。對(duì)如何應(yīng)用稀土超磁致伸縮材料激勵(lì)I(lǐng)V型彎張換能器，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、哈爾濱工程大學(xué)以及715研究所等科研單位都展開(kāi)了相關(guān)研究，并在相對(duì)較低的頻段內(nèi)收獲了較好的測(cè)試結(jié)果[7-9]。本文采用稀土超磁致伸縮材料作為IV型彎張換能器的激勵(lì)源，設(shè)計(jì)了一種低頻、大功率水下發(fā)射器。換能器采用的是空氣背襯式結(jié)構(gòu)，這樣有利于提高仿真值的準(zhǔn)確度，并實(shí)現(xiàn)更高的聲源級(jí)。

1 稀土IV型彎張換能器設(shè)計(jì)

1.1 稀土IV型彎張換能器結(jié)構(gòu)

稀土IV型彎張換能器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包含殼體、過(guò)渡塊、稀土振子、線圈和純鐵塊幾個(gè)主要部分。換能器外部為橢圓形殼體，稀土振子置于殼體內(nèi)部，外部纏繞著線圈。稀土振子與兩端的純鐵塊以及外部線圈一同構(gòu)成磁路部分，純鐵塊通過(guò)過(guò)渡塊與殼體長(zhǎng)軸方向剛性連接。換能器工作時(shí)其外部纏繞的線圈提供交變電流，稀土振子在交變磁場(chǎng)中伸縮變化，激勵(lì)出外部殼體的彎曲振動(dòng)，向外輻射聲能。

1.2 雙棒式磁路設(shè)計(jì)

稀土超磁致伸縮材料需要在良好的磁場(chǎng)環(huán)境中工作，這樣才能發(fā)揮最佳的性能，所以對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)可以提升磁場(chǎng)均勻度，減少磁漏和磁性材料內(nèi)部的渦流損耗，以提高換能器的工作效率[10]。單棒式磁路和雙棒式磁路都是比較常用的磁路形式，稀土IV型彎張換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更適合使用雙棒式磁路。而雙棒式磁路的分析比單棒式磁路更為復(fù)雜，進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)的同時(shí)還要考慮到空間可操作性以及工藝實(shí)現(xiàn)難度等問(wèn)題。

圖2是根據(jù)換能器內(nèi)部空間所設(shè)計(jì)的雙棒式磁路結(jié)構(gòu)，上下共有兩組稀土振子，每個(gè)稀土振子外部都纏繞著一個(gè)獨(dú)立的線圈。每根稀土棒兩端為永磁片，兩側(cè)的純鐵塊與兩排振子共同構(gòu)成了閉合式磁回路。永磁片提供恒定的靜態(tài)磁場(chǎng)，并且上下兩排振子中靜態(tài)磁場(chǎng)方向相反。

根據(jù)磁路的對(duì)稱(chēng)性，建立的磁路1/2有限元模型如圖3所示，在圖2中磁路的外部建立出空氣單元。稀土棒內(nèi)部中空，這樣可以降低稀土材料內(nèi)的渦流損耗，中空部分用絕緣材料填充，其在模型中的單元也可視為空氣單元。在有限元模型的所有開(kāi)放平面上施加邊界條件，磁力線垂直條件自動(dòng)滿足，但必須有磁力線平行條件。雙棒式磁路的靜態(tài)磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)分析要分別用到靜態(tài)分析和諧波分析，而ANSYS有限元軟件中對(duì)于三維磁場(chǎng)的這兩類(lèi)分析提供了兩種適用方法，即矢量位法和棱邊單元法，當(dāng)存在非均勻介質(zhì)以及自由度發(fā)生變化時(shí)，用基于節(jié)點(diǎn)的連續(xù)矢量法來(lái)進(jìn)行有限元計(jì)算得到的解不夠精確，而棱邊單元法可以有效消除這種理論上的缺陷。

由于靜態(tài)磁場(chǎng)中不考慮隨時(shí)間變化的電流，線圈部分可看作是普通的導(dǎo)電體，等同為空氣。所有材料都要設(shè)置相應(yīng)的磁導(dǎo)率，而永磁片還要給出矯頑力矢量，并控制好極化方向。圖4所示為雙棒式磁路靜態(tài)磁場(chǎng)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，由于磁路結(jié)構(gòu)本身具有對(duì)稱(chēng)性，這里為了表現(xiàn)得更加清晰，所以只給出上半部分磁路的計(jì)算結(jié)果，正負(fù)號(hào)表示磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，由圖4可知，稀土棒內(nèi)部徑向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布比較均勻，而軸向均勻度還有提高的空間。

在動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)分析中，主要目標(biāo)是降低驅(qū)動(dòng)材料內(nèi)部的趨膚效應(yīng)，提升磁場(chǎng)均勻度，從而減小渦流損耗，更有效地利用磁場(chǎng)能量。動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)分析中需要線圈提供交變磁場(chǎng)，所以不再將其當(dāng)作一般導(dǎo)電體處理。對(duì)稀土棒進(jìn)行開(kāi)縫處理是一種有效減小渦流損耗的方法，圖5為動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)下稀土棒開(kāi)縫前后橫截面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，由圖可知外部進(jìn)行開(kāi)縫處理后，截面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值與最小值的差值為0.013 T，而未開(kāi)縫時(shí)的差值為0.016 T，均勻度有所提升。

(a) 未開(kāi)縫結(jié)構(gòu)

(b) 外部開(kāi)縫結(jié)構(gòu)

圖5 動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)稀土棒橫截面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

Fig.5 Magnetic induction intensity distribution of rare-earth cross-section in dynamic magnetic field

1.3 稀土IV型彎張換能器有限元分析

在ANSYS有限元軟件中對(duì)稀土IV型彎張換能器進(jìn)行建模，利用模型所具有的空間對(duì)稱(chēng)性，在空氣中以及后面的水中均構(gòu)建1/4模型。換能器空氣中有限元模型如圖6所示，激勵(lì)材料為10根的稀土棒，殼體和過(guò)渡塊的材料選取硬鋁合金，稀土部分采用的是SOLID5單元，其余部分都采用SOLID45單元，模型中共包含3113個(gè)節(jié)點(diǎn)，2426個(gè)單元。

換能器的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在小尺寸下實(shí)現(xiàn)低頻發(fā)射，所以需要著重考慮如何通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)降低換能器的諧振頻率，此外還要保證換能器具有較高的發(fā)送電壓響應(yīng)值。在優(yōu)化過(guò)程中將每個(gè)變量進(jìn)行獨(dú)立分析，計(jì)算結(jié)果顯示彎張換能器的殼體變化對(duì)頻率的影響比較明顯，尤其是換能器殼體的長(zhǎng)短軸比及殼體厚度等重要參數(shù)，當(dāng)增加長(zhǎng)短軸比例時(shí)換能器頻率有明顯的下降趨勢(shì)，殼體厚度的改變同樣能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的有效調(diào)節(jié)。殼體的長(zhǎng)短軸比和厚度對(duì)換能器發(fā)送電壓響應(yīng)值也有影響，例如長(zhǎng)短軸比過(guò)大或過(guò)小都不好，適中時(shí)響應(yīng)值最高，所以要綜合考慮。此外，參數(shù)的選擇還要考慮到稀土振子外部纏繞的線圈需要足夠的空間，以及換能器裝配時(shí)預(yù)應(yīng)力的施加等相關(guān)限制，最終確定的模型長(zhǎng)短軸比約為3:1，殼體厚度10 mm。

首先對(duì)換能器進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得到的換能器空氣中諧振頻率為686 Hz，模態(tài)位移矢量圖如圖7所示，長(zhǎng)軸方向收縮，短軸方向擴(kuò)張，其中心點(diǎn)處位移量最大。對(duì)于稀土超磁致伸縮材料激勵(lì)的換能器要利用壓磁-壓電類(lèi)比的方法進(jìn)行諧響應(yīng)分析[11]，得到的空氣中阻抗曲線如圖8所示，在諧振點(diǎn)處的最大電阻值為12.2 Ω。

圖9所示為稀土IV型彎張換能器的水中有限元模型，換能器外部建立流體域，使用的是FLUID30單元，在流體域與殼體接觸的表面施加流固耦合條件，在流體的外邊界還要加載無(wú)限遠(yuǎn)吸收邊界條件。稀土IV型彎張換能器仿真計(jì)算得到的發(fā)送電流響應(yīng)曲線如圖10所示，最大發(fā)送電流響應(yīng)值為180 dB。

2 換能器樣機(jī)的制作與測(cè)試

根據(jù)分析結(jié)果制作的換能器樣機(jī)如圖11所示，其最大線度尺寸為400 mm，未加電纜的總重量為15.8 kg。

用WK6500阻抗分析儀測(cè)試的換能器空氣中和水中的阻抗曲線分別如圖12和13所示，空氣中諧振頻率為758 Hz，比仿真值高72 Hz，這是因?yàn)榉抡孢^(guò)程中無(wú)法模擬換能器上下蓋板夾持帶來(lái)的機(jī)械阻尼影響。諧振點(diǎn)處的電阻值為27.9 Ω。水中諧振頻率為370 Hz，與計(jì)算結(jié)果基本一致，此頻率下的電阻值為15.1 Ω。

在消聲水池測(cè)試的換能器發(fā)送電流響應(yīng)曲線以及聲源級(jí)曲線如圖14所示，響應(yīng)最大值為175 dB。與圖10相比較，仿真結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果高5~8 dB，原因在于有限元建模未能考慮磁滯損耗、渦流損耗以及蓋板夾持帶來(lái)的機(jī)械阻尼等因素。測(cè)試聲源級(jí)時(shí)功率放大器上加載了大小為6 A的電流有效值，在300~500 Hz的頻率范圍內(nèi)，聲源級(jí)的測(cè)試值均大于180 dB，最大值為196 dB，實(shí)現(xiàn)了換能器的低頻、大功率設(shè)計(jì)。如果對(duì)換能器進(jìn)行逐點(diǎn)的阻抗匹配，聲源級(jí)還能夠進(jìn)一步提升。

3 結(jié)論

利用ANSYS有限元軟件仿真并設(shè)計(jì)了一種工作頻率低于400 Hz的稀土IV型彎張換能器，首先對(duì)提出的雙棒式磁路的靜態(tài)磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，使得稀土材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布更加均勻，并減小了渦流損耗。然后通過(guò)壓電-壓磁類(lèi)比的方法，建立了換能器結(jié)構(gòu)空氣中和水中的有限元模型，分別進(jìn)行頻率特性、阻抗特性和輻射特性的分析。根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)的換能器樣機(jī)水中諧振頻率為370 Hz，最大聲源級(jí)為196 dB，實(shí)現(xiàn)了小尺寸、輕重量、大功率的低頻換能器設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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Research of a Class IV rare-earth flextensional transducer

LI Kuan1,2,3, LAN Yu1,2

(1.Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;3. CETC Ocean Co., Ltd, Beijing 100041, China)

Class IV flextensional transducer with features of small size and light weight is a common underwater low frequency and high power source. Compared to piezoelectric ceramic, the rare-earth magnetostrictive material has larger strain and energy density, and lower young’s modulus, which can effectively reduce the resonant frequency of the transducer. A low frequency IV flextensional transducer driven by using rare-earth magnetostrictive material is designed. Through the analyses of static and dynamic magnetic fields, a magnetic circuit structure of dual rods type is built, and the transducer is modeled and calculated with finite element software. Based on the calculation results, a Class IV flextensional transducer is manufactured, and the simulation and experimental results are in good agreement. It is shown that the transducer is characterized by low frequency and high power, which means that the resonant frequency in water is 370Hz, and the sound source level achieves 196dB.

rare-earth material; magnetostrictive; flextensional transducer; finite element

TB565.1

A

1000-3630(2015)-05-0467-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.016

2014-10-20;

2014-12-06

李寬(1985－), 男, 黑龍江佳木斯人, 博士研究生, 研究方向?yàn)樗晸Q能器及換能器基陣。

藍(lán)宇, E-mail: lanyu@hrbeu.edu.cn