許欣然，周利生，鄭震宇，解廣亞

（杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所 聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023）

隨著減振降噪技術(shù)、復(fù)合消聲瓦技術(shù)的進(jìn)步，水下目標(biāo)聲隱身性能不斷提高，主動(dòng)聲納技術(shù)逐步成為實(shí)現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離探測(cè)的重要發(fā)展方向。一方面海水的聲吸收系數(shù)隨頻率上升而急劇增加，進(jìn)而海水對(duì)聲波的衰減損失也隨之增加；另一方面，盡管先進(jìn)的消聲瓦技術(shù)有效降低了中高頻段的目標(biāo)強(qiáng)度，但對(duì)于低頻段而言效果并不明顯。因此，要在海洋中實(shí)現(xiàn)聲波遠(yuǎn)距離傳播必須使用低頻信號(hào)，水聲換能器是產(chǎn)生聲波信號(hào)的重要設(shè)備。然而，水聲換能器的尺寸和重量一般隨著工作頻率降低而增加，對(duì)于平臺(tái)有限的安裝空間和載荷能力，低頻、大功率、小型化水聲換能器有著迫切的發(fā)展需求。

彎張換能器是一類利用驅(qū)動(dòng)堆的縱向振動(dòng)激勵(lì)殼體產(chǎn)生彎曲振動(dòng)來(lái)輻射聲波的水聲換能器，根據(jù)殼體形式和激勵(lì)方式的不同一般可分為7類。由于殼體的彎曲模式對(duì)應(yīng)了一階模態(tài)振型，彎張換能器具有工作頻率低、輸出聲功率大的優(yōu)勢(shì)。但是對(duì)于工作頻率極低或是安裝空間和重量限制十分苛刻的情況，彎張換能器的尺寸和重量仍然難以滿足實(shí)際使用要求。彎曲圓柱換能器，也可稱為開(kāi)縫圓管換能器[1]是較彎張換能器更為小型化的一類低頻大功率發(fā)射換能器，其典型結(jié)構(gòu)由開(kāi)縫圓柱殼和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)部件構(gòu)成。開(kāi)縫一般沿圓柱殼母線方向延伸，降低了換能器振動(dòng)結(jié)構(gòu)的有效剛度，因而彎曲圓柱換能器尺寸更為緊湊，且在極低工作頻率下具有較好的輻射聲波的能力。

早在1957年，Harris[2]發(fā)明了彎曲圓柱換能器，隨后眾多學(xué)者對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)理和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了發(fā)展與改進(jìn)。壓電式[3]和磁致伸縮式[4]是兩種主要的驅(qū)動(dòng)方式，其中，基于壓電陶瓷的彎曲圓柱換能器在過(guò)去的數(shù)十年一直處于主導(dǎo)地位。根據(jù)振動(dòng)時(shí)應(yīng)力分布特性，這類換能器一般由眾多不同梯形截面的壓電陶瓷條鑲拼而成，中心處厚、邊緣處薄，且每個(gè)陶瓷條對(duì)應(yīng)不同的中心軸。Brogan[5]等人在結(jié)構(gòu)上引入了月牙形嵌入塊，從而可以使得各個(gè)陶瓷條采用相同的尺寸，降低了換能器的整體復(fù)雜度。Porzio[6]等人提出了采用超磁致伸縮材料Terfenol-D棒替代傳統(tǒng)壓電陶瓷鑲拼環(huán)作為驅(qū)動(dòng)元件，在換能器開(kāi)縫點(diǎn)和中心連線的正交方向上激勵(lì)柱殼產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。這不僅進(jìn)一步降低了換能器復(fù)雜性和成本，而且低聲速的Terfenol-D更易于同低剛度的開(kāi)縫殼體匹配，提高了換能器的有效耦合系數(shù)和發(fā)射效率。

和其它低頻大功率換能器一樣，彎曲圓柱換能器也需要對(duì)驅(qū)動(dòng)元件施加一定的預(yù)應(yīng)力，以滿足大功率工作要求。彎曲圓柱換能器的預(yù)應(yīng)力要靠相對(duì)剛度較低的開(kāi)縫柱殼來(lái)實(shí)現(xiàn)，施加預(yù)應(yīng)力過(guò)小，不能滿足大功率使用要求；施加預(yù)應(yīng)力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)縫柱殼產(chǎn)生大變形，將伴隨嚴(yán)重的非線性現(xiàn)象。另一方面，為了滿足水下工作要求，一般采用上下端蓋對(duì)其進(jìn)行密封。由于彎曲圓柱換能器殼體剛度較低，其振動(dòng)特性容易受端蓋邊界條件的影響。因此，準(zhǔn)確測(cè)量彎曲圓柱換能器在不同預(yù)應(yīng)力條件和不同端蓋邊界條件下的振動(dòng)參數(shù)，對(duì)分析彎曲圓柱換能器振動(dòng)特性以及改善其聲輻射特性具有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

激光測(cè)振法一般基于激光多普勒原理實(shí)現(xiàn)對(duì)物理位移、速度以及加速度等物理量的測(cè)量，具有測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大、非接觸、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因而適用于換能器振動(dòng)特性的測(cè)試與分析[7-9]。本文利用激光測(cè)振儀對(duì)彎曲圓柱換能器在不同預(yù)應(yīng)力條件和不同端蓋邊界條件下的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)研究換能器振動(dòng)特性，提出了換能器應(yīng)力性能和去耦結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化方法，可為其它水聲換能器的振動(dòng)特性研究提供借鑒。

1 激光測(cè)振系統(tǒng)

基于激光技術(shù)的非接觸式測(cè)振方法具有精度高、效率高、線性度好以及干擾小的優(yōu)勢(shì)，特別適用于換能器振動(dòng)特性研究。激光測(cè)振的常用方法包括全息干涉法、散斑法、激光三角法以及激光多普勒法等。目前商用的激光測(cè)振儀大多基于激光多普勒測(cè)振技術(shù)（Laser Doppler Velocimetry），其基本原理為，激光器發(fā)射波長(zhǎng)為λ的一束激光照射到待測(cè)振動(dòng)物表面，反射光將產(chǎn)生多普勒頻移fD，該頻移量與物體表面的振動(dòng)速度v成正比

測(cè)量多普勒頻移量，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)即可得到物體表面振動(dòng)的幅值、方向以及頻率等信息。

本文用于研究彎曲圓柱換能器振動(dòng)特性的激光測(cè)振系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。綜合處理系統(tǒng)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生振動(dòng)，掃描式激光頭產(chǎn)生的激光經(jīng)換能器輻射面反射后的光波再次進(jìn)入激光頭，在綜合處理系統(tǒng)的調(diào)度下進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和信號(hào)處理，得到換能器表面的振速信號(hào)。利用該激光測(cè)振系統(tǒng)，可以對(duì)彎曲圓柱換能器輻射面振動(dòng)進(jìn)行快速多點(diǎn)精確測(cè)量，為研究不同力學(xué)邊界條件、不同電學(xué)載荷條件下?lián)Q能器的振動(dòng)特性提供了實(shí)驗(yàn)條件。

圖1 激光測(cè)振系統(tǒng)基本原理框圖

2 彎曲圓柱換能器振動(dòng)特性研究

2.1 彎曲圓柱換能器工作機(jī)理

本文研究的彎曲圓柱換能器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由開(kāi)縫圓柱殼、棱柱支撐條、楔形支撐條、磁致伸縮棒、線圈等部分組成。其工作機(jī)理是以多個(gè)Terfenol-D或Galfenol等超磁致伸縮棒和導(dǎo)磁棱柱支撐條形成多層開(kāi)口驅(qū)動(dòng)環(huán)，磁致伸縮棒在外部線圈中交變電流引起的交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱向振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)縫圓柱殼體產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。

圖2 彎曲圓柱換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 預(yù)應(yīng)力分析

彎曲圓柱換能器的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)采用楔形支撐條向殼體抽緊的方式，利用殼體自有剛度，對(duì)磁致伸縮驅(qū)動(dòng)棒施加預(yù)應(yīng)力。楔形支撐條抽緊程度不同，開(kāi)縫圓柱殼的縫寬不同，施加在磁致伸縮驅(qū)動(dòng)棒兩端的預(yù)應(yīng)力也不相同。這種預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程屬于非線性接觸問(wèn)題，而且與多種材料的機(jī)械性能有關(guān)，因此很難利用數(shù)值仿真手段準(zhǔn)確模擬真實(shí)的物理過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)中先利用激光測(cè)振系統(tǒng)的多點(diǎn)掃頻振速測(cè)量獲得換能器振動(dòng)部件的振動(dòng)模態(tài)與振型分布，掌握換能器主要工作頻率，然后再對(duì)換能器進(jìn)行單點(diǎn)振動(dòng)幅頻特性測(cè)試，實(shí)現(xiàn)最佳預(yù)應(yīng)力工況的快速分析與優(yōu)化。圖3是利用激光測(cè)振系統(tǒng)對(duì)換能器振動(dòng)部件進(jìn)行振速測(cè)試的照片，為避免端面接觸對(duì)振動(dòng)殼體的邊界產(chǎn)生約束，在懸掛條件下對(duì)換能器振動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量。

圖3 換能器振動(dòng)部件的激光測(cè)振照片

在多點(diǎn)掃頻振速測(cè)量中，首先需要對(duì)待測(cè)換能器振動(dòng)表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后系統(tǒng)產(chǎn)生100 Hz～5 kHz的掃頻信號(hào)通過(guò)功放驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生掃頻振動(dòng)，掃描式激光頭拾取各點(diǎn)振動(dòng)頻譜分布，進(jìn)而得到換能器輻射面的振動(dòng)模態(tài)。圖4是換能器振動(dòng)部件振速頻響曲線，由圖中可看到存在2個(gè)主要的振動(dòng)模態(tài)，其諧振頻率分別為308 Hz和878 Hz。換能器殼體開(kāi)縫處的振型分布如圖5所示。

圖4 換能器振動(dòng)部件振速頻響曲線

圖5 換能器振動(dòng)部件1階2階振型分布。

盡管對(duì)于1階彎曲模態(tài)（308 Hz）和2階彎曲模態(tài)（878 Hz）開(kāi)縫殼體兩側(cè)振動(dòng)均為同相的，但2階彎曲模態(tài)在圓弧上存在節(jié)點(diǎn)，即單側(cè)圓弧存在反相振動(dòng)，因而輻射效率不高。殼體1階彎曲模態(tài)振動(dòng)能量最強(qiáng)，整個(gè)殼體圓周均為同相振動(dòng)，是我們主要利用的模態(tài)。因此，換能器預(yù)應(yīng)力條件優(yōu)化重點(diǎn)考慮輻射效率高的1階彎曲模態(tài)，即頻率為308 Hz時(shí)換能器的振動(dòng)特性。

考慮到彎曲圓柱換能器最大振幅點(diǎn)處于殼體開(kāi)縫區(qū)域，這里將周向距離殼體開(kāi)縫邊沿5 mm、軸向中心點(diǎn)作為振速測(cè)量參考點(diǎn)，以評(píng)估彎曲圓柱換能器在不同預(yù)應(yīng)力條件下的振動(dòng)特性。

測(cè)試時(shí)，由綜合處理系統(tǒng)產(chǎn)生頻率為308 Hz的脈沖信號(hào)通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)彎曲圓柱換能器振動(dòng)部件（不含端蓋等水密結(jié)構(gòu)）產(chǎn)生振動(dòng)。圖6給出了測(cè)量得到的參考點(diǎn)振速隨激勵(lì)電流的變化曲線，不同殼體開(kāi)縫寬度表征了不同的預(yù)應(yīng)力工況條件。

圖6 不同預(yù)應(yīng)力工況下參考點(diǎn)振速隨電流變化曲線

這里分別測(cè)試了縫寬尺寸為1.8 mm、1.94 mm、2.18 mm和2.31 mm時(shí)彎曲圓柱換能器參考點(diǎn)的振速。從參考點(diǎn)振速與激勵(lì)電流的線性度來(lái)看，縫寬為2.18 mm時(shí)最佳，1.8 mm次之；而從發(fā)送電流響應(yīng)來(lái)看，縫寬2.18 mm時(shí)曲線斜率更大，表明發(fā)射效率更高。圖7分別為各工況下最大激勵(lì)電流對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)振速波形，當(dāng)縫寬為1.8 mm和2.18 mm時(shí)，發(fā)射波形較為規(guī)整，而縫寬為1.94 mm和2.31 mm時(shí)，發(fā)射波形已經(jīng)產(chǎn)生明顯的畸變，這將嚴(yán)重影響發(fā)射信號(hào)質(zhì)量。綜合看來(lái)，當(dāng)縫寬為2.18 mm時(shí)，換能器不僅輸出線性度最好、輸出波形穩(wěn)定，而且輸出效率最高。這表明，在該預(yù)應(yīng)力工況下，換能器能夠產(chǎn)生穩(wěn)定高效的振動(dòng)輸出，滿足了大功率發(fā)射的要求。

圖7 不同預(yù)應(yīng)力工況下參考點(diǎn)振速波形圖

2.3 端蓋邊界條件影響

彎曲圓柱換能器一般需要配備上下端蓋以適應(yīng)水下工作對(duì)水密性能的要求。端蓋不僅增加了換能器振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，而且會(huì)改變振動(dòng)殼體相對(duì)自由的邊界條件，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)特性。

圖8 換能器振速頻響曲線(端蓋與殼體剛性接觸)

圖9 換能器振型分布(端蓋與殼體剛性接觸)

這里首先對(duì)加裝了上下端蓋的彎曲圓柱換能器的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了測(cè)試，這時(shí)端蓋與殼體間為剛性接觸。測(cè)試得到的振速頻響曲線如圖8所示，圖中兩個(gè)諧振峰569 Hz和1 115 Hz對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型分布如圖9所示。其中第一個(gè)是殼體的擺動(dòng)模態(tài)，開(kāi)縫處兩側(cè)殼體反相振動(dòng)；第二個(gè)為殼體2階彎曲模態(tài)，在殼體圓周上也存在反相振動(dòng)。然而，輻射效率最高的的1階彎曲模態(tài)卻在整個(gè)測(cè)試頻帶內(nèi)消失了。這表明上下端蓋對(duì)彎曲殼體影響十分嚴(yán)重，這主要由于開(kāi)縫殼體的等效剛度非常低，端蓋對(duì)殼體邊界的約束導(dǎo)致其等效剛度產(chǎn)生較大變化，抑制了1階彎曲模態(tài)能量成分。

為削弱端蓋對(duì)彎曲殼體振動(dòng)特性的不利影響，在端蓋與殼體接觸面上增加一層去耦層，避免殼體與端蓋的直接接觸。該去耦層由高阻尼特性的軟木橡膠構(gòu)成，其形狀為內(nèi)外徑差小于殼體壁厚的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。它不僅減小了殼體端面上的約束面積，而且其低剛度特性也大大降低了殼體對(duì)換能器振動(dòng)系統(tǒng)總體剛度的影響。再次進(jìn)行測(cè)試得到的振速頻響曲線和模態(tài)振型分布如圖10和圖11所示。

圖10 換能器振速頻響曲線(端蓋與殼體去耦接觸)

圖11 換能器振型分布(端蓋與殼體去耦接觸)

第一個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)諧振頻率316 Hz，是殼體的1階彎曲模態(tài)，開(kāi)縫處兩側(cè)殼體同相振動(dòng)；第二個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)諧振頻率536 Hz，是殼體的擺動(dòng)模態(tài)，開(kāi)縫處兩側(cè)殼體反相振動(dòng)；第三個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)諧振頻率909 Hz，為殼體2階彎曲模態(tài)，開(kāi)縫處兩側(cè)殼體同相振動(dòng)，在殼體圓周上存在反相振動(dòng)。其中第一個(gè)和第三個(gè)模態(tài)為能量集中模態(tài)，第一個(gè)模態(tài)能量最大。和端蓋剛性接觸的工況相比，換能器振動(dòng)狀態(tài)大大改善，主要用于輻射聲波的1階彎曲模態(tài)仍然為能量最大模態(tài)。和殼體端面完全自由的工況相比，1階彎曲模態(tài)對(duì)應(yīng)的諧振頻率從308 Hz上升到316 Hz。端蓋對(duì)殼體彎曲振動(dòng)的影響一方面是增加等效剛度，這將導(dǎo)致諧振頻率上升；另一方面又對(duì)了殼體振動(dòng)產(chǎn)生附加質(zhì)量，這將導(dǎo)致諧振頻率下降。兩方面影響相互綜合，最終導(dǎo)致諧振頻率略有上升。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上下端蓋與殼體接觸面的邊界條件對(duì)殼體彎曲振動(dòng)影響非常大，不僅能夠影響模態(tài)能量的強(qiáng)弱分布，甚至?xí)?dǎo)致主要利用的基頻彎曲模態(tài)被完全抑制。因此，在彎曲圓柱換能器的水密結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要合理設(shè)計(jì)端蓋和殼體之間的去耦方式，降低這種邊界約束效應(yīng)的不利影響。同時(shí)，激光測(cè)振系統(tǒng)為換能器去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速效能評(píng)估提供了有效手段。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用激光測(cè)振法對(duì)彎曲圓柱換能器的振動(dòng)特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量分析了換能器預(yù)應(yīng)力條件和端蓋邊界條件對(duì)其振動(dòng)特性的影響，得到以下結(jié)論：

（1）不同預(yù)應(yīng)力條件會(huì)影響彎曲圓柱換能器振動(dòng)的線性度和效率，就本文所研制的換能器樣機(jī)而言，當(dāng)縫寬為2.18 mm所對(duì)應(yīng)的預(yù)應(yīng)力條件能夠保證其產(chǎn)生穩(wěn)定高效的振動(dòng)輸出，滿足大功率發(fā)射要求。

（2）端蓋邊界條件對(duì)彎曲圓柱換能器的諧振頻率乃至振動(dòng)模態(tài)都有很大影響，在端蓋和殼體之間采用去耦結(jié)構(gòu)能夠有效抑制這種不利影響。

（3）激光測(cè)振法具有測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大、非接觸、抗電磁干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于換能器振動(dòng)特性測(cè)量分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)換能器預(yù)應(yīng)力性能和去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速驗(yàn)證與評(píng)估。