孫玉臣 王德石 孫顯鵬 朱愛(ài)軍

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.91183部隊(duì) 青島 266100）

兩種低頻換能器結(jié)構(gòu)性能有限元研究?

孫玉臣1，2王德石1孫顯鵬2朱愛(ài)軍2

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.91183部隊(duì) 青島 266100）

在簡(jiǎn)要介紹水聲換能器基本性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)ANSYS有限元仿真，計(jì)算出鈸式及凹筒式低頻換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了性能對(duì)比，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供參考。

低頻換能器；有限元；Cymbal；筒式換能器

1 引言

近年來(lái)，隨著世界各國(guó)對(duì)海洋權(quán)益和資源開(kāi)發(fā)的逐漸重視，水下聲納在國(guó)防軍工、石油勘探、造船航運(yùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］，尤其是低頻聲納，因其作用距離遠(yuǎn)［2］，正逐步成為研究的熱門。換能器作為聲納系統(tǒng)的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)步也逐步加快，特別是鈸式換能器，因其在同樣性能條件下，比傳統(tǒng)換能器體積小、重量輕、成本低、帶寬大［3］，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛［4～6］，得多諸多研究者的關(guān)注。本文使用ANSYS軟件，通過(guò)對(duì)低頻凹筒式換能器與鈸式換能器的結(jié)構(gòu)性能有限元分析，為開(kāi)發(fā)新型小體積低頻聲納換能器提供借鑒。

2 水聲換能器主要性能指標(biāo)

水聲換能器的主要的指標(biāo)有：工作頻率、有效機(jī)電耦合系數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、電學(xué)品質(zhì)因數(shù)、指向特性、導(dǎo)納、發(fā)射效率、靈敏度等。其中，靈敏度、等效噪聲壓等性能指標(biāo)是接收換能器專有的性能指標(biāo)，等效噪聲壓對(duì)1μbar基準(zhǔn)聲壓所取的分貝數(shù)，稱作接收器的等效噪聲聲壓級(jí)［7］。發(fā)射電壓響應(yīng)、發(fā)射效率等性能指標(biāo)是接收換能器專有的性能指標(biāo)，換能器的發(fā)射效率與其類型、材料、結(jié)構(gòu)、工作頻率等因素密切相關(guān)［8］。

3 鈸式及凹筒式彎張換能器有限元模型

3.1 鈸式換能器有限元模型

鈸式彎張換能器是一種新型壓電換能器，由兩片鈸式金屬帽和一片極化過(guò)的壓電陶瓷片經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)而成［9］，有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕的特點(diǎn)，可加工為接收換能器、發(fā)射換能器、收發(fā)共用換能器。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鈸式發(fā)射換能器為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此建立右半部分的軸對(duì)稱有限元模型。計(jì)算中選用黃銅作為金屬平頂錐殼的研究材料［10］。

取流體區(qū)域半徑r=0.15m。劃分網(wǎng)格得到一個(gè)包含一系列節(jié)點(diǎn)和單元的有限元模型如圖3所示。

3.2 凹筒式彎張換能器有限元模型

凹筒式彎張換能器為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，體積小、頻率低、重量輕，外形結(jié)構(gòu)適于組陣，在聲吶低頻領(lǐng)域應(yīng)用前景廣。海鷹公司蔡志恂等設(shè)計(jì)出了該型換能器［11］，水中實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其諧振頻率低于1kHz時(shí)，發(fā)射電壓響應(yīng)和聲源級(jí)都能保持較高。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

建立凹筒式換能器右半部分的有限元模型，水中有限元模型如圖5所示。

4 凹筒式換能器與鈸式換能器性能對(duì)比

4.1 凹筒式換能器結(jié)構(gòu)性能有限元分析

因凹筒式換能器曲率半徑對(duì)帶寬等性能參數(shù)幾乎沒(méi)有影響［12］，故當(dāng)凹筒式換能器曲率半徑與壓電陶瓷晶堆高度之比為一常數(shù)時(shí)，選取硬鋁為凹筒式換能器的凹板材料，上下兩端質(zhì)量塊為鋼塊，壓電陶瓷晶堆選用PZT-4材料。取三種尺寸換能器，其幾何模型分別如圖6（a）、（b）、（c）所示。

這三種凹筒式換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，仿真值與利用仿真進(jìn)行的計(jì)算值分別如表2、3所示。

表中，fr為換能器諧振頻率，Gmax為電導(dǎo)極大值，Bs為電納極值，f(Bmax)為電納極大值所對(duì)應(yīng)的頻率，f(Bmin)為電納極小值所對(duì)應(yīng)的頻率，TVRmax為發(fā)射電壓響應(yīng)的極大值，Δf為頻帶寬度，Qm為機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，Qe為電學(xué)品質(zhì)因數(shù)，keff為有效機(jī)電耦合系數(shù)，Req為等效電阻，Ceq為等效電容，Leq為等效電感。

由此可知，壓電陶瓷片厚度一定時(shí)，壓電陶瓷晶堆高度越大，發(fā)射電壓響應(yīng)越大，諧振頻率越小。

4.1.1 凹筒式換能器導(dǎo)納特性曲線分析

這三種凹筒式換能器的電導(dǎo)電納曲線、導(dǎo)納模值曲線、導(dǎo)納圓圖分別如圖7～9所示。

表1 凹筒式換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 凹筒式換能器各性能參數(shù)仿真值

表3 凹筒式換能器各性能參數(shù)計(jì)算值

壓電陶瓷片厚度一定時(shí)，壓電陶瓷晶堆高度越大，導(dǎo)納模值越大；壓電陶瓷晶堆高度為40mm時(shí)，畫(huà)不出導(dǎo)納圓圖，不能根據(jù)公式計(jì)算出機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、帶寬等參數(shù)。

4.1.2 凹筒式換能器發(fā)射電壓響應(yīng)曲線分析

由圖10可知，三種凹筒式換能器頻率高于5kHz時(shí)，發(fā)射電壓響應(yīng)基本都高于120dB，最大值可達(dá)到145dB。發(fā)射特性良好，發(fā)射電壓響應(yīng)曲線波動(dòng)不大。

4.2 鈸式換能器結(jié)構(gòu)性能有限元分析

為對(duì)比凹筒式與鈸式換能器的性能，分析三種發(fā)射型鈸式換能器的結(jié)構(gòu)性能，其諧振頻率凹筒式換能器相近，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，仿真值、計(jì)算值如表5～表6所示。

相近諧振頻率條件下，鈸式換能器與凹筒式換能器相比，有以下特點(diǎn)：1）帶寬約900Hz，相對(duì)較窄。2）發(fā)射電壓響應(yīng)約120dB，聲波的傳播距離較小。3）有效機(jī)電耦合系數(shù)約0.14，能量轉(zhuǎn)換效率較低。4）諧振頻率均為11.15kHz時(shí)，凹筒式發(fā)射換能器最大外徑為200mm，重量在2kg以上，而鈸式換能器的最大外徑僅為24mm，重量只有3g，體積較小，重量較輕，差別明顯。

4.2.1 鈸式換能器導(dǎo)納特性曲線分析

三種鈸式換能器的電導(dǎo)電納曲線、導(dǎo)納模值曲線、導(dǎo)納圓圖如圖11～13所示。

表4 鈸式換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表5 鈸式換能器各性能參數(shù)仿真值

表6 鈸式換能器各性能參數(shù)計(jì)算值

鈸式換能器諧振頻率為13.30kHz時(shí)，畫(huà)不出導(dǎo)納圓圖，不能根據(jù)公式計(jì)算出機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、帶寬等參數(shù)［13］；鈸式換能器與凹筒式換能器相比，電導(dǎo)、電納值小了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

4.2.2 鈸式換能器發(fā)射電壓響應(yīng)曲線分析

如圖14所示，與凹筒式換能器相比，鈸式換能器頻率高于5kHz時(shí)，發(fā)射電壓響應(yīng)基本處于120dB以下，最大不超過(guò)125dB，且發(fā)射電壓響應(yīng)曲線波動(dòng)相對(duì)較大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)凹筒式與鈸式發(fā)射換能器的研究，獲得了兩種換能器的性能參數(shù)，結(jié)果表明兩種換能器在發(fā)射方面各具優(yōu)勢(shì)。凹筒式換能器較鈸式換能器發(fā)射電壓響應(yīng)曲線平坦，聲壓輻射能力更強(qiáng)；同樣參數(shù)性能條件下，鈸式換能器的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，體積更小，質(zhì)量更輕，利于組陣。該研究結(jié)果為低頻聲納裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了一定借鑒。

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Finite Element Research on Structure&Capability of Low-frequency Acoustic Transducers

SUN Yuchen1，2WANG Deshi2SUN Xianpeng2ZHU Aijun2
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（2.No.91183 Troops of PLA，Qingdao 266100）

On the basis of brief introduction of acoustic transducer performance parameters，by finite element analysis of AN?SYS，the difference of cymbal&barrel-stave transducer in structure and capability is introduced in thiss essay，which can provide reference for related research field.

low-frequency transducer，finite element，Cymbal，barrel-stave transducer

P569

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.031

Class Number P569

2017年5月15日，

2017年6月19日

孫玉臣，男，碩士研究生，工程師，研究方向：水聲換能器技術(shù)。王德石，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向：機(jī)械振動(dòng)、武器系統(tǒng)與運(yùn)用。孫顯鵬，男，工程師，研究方向：水下武器系統(tǒng)與保障。朱愛(ài)軍，男，工程師，研究方向：水下武器系統(tǒng)與保障。