宋 哲, 嚴由嶸

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一種鑲拼圓環(huán)換能器寬頻帶應用研究

宋 哲, 嚴由嶸

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710077)

為了實現(xiàn)小口徑無人水下航行器(UUV)的低頻聲發(fā)射, 進一步降低發(fā)射換能器在航行器中的體積、質量占比、拓寬換能器可用頻帶, 研究了一種適用于小型UUV的薄壁鑲拼圓環(huán)換能器。考慮小型UUV對換能器尺寸、質量的限制, 通過理論公式與有限元軟件ANSYS相結合的方法, 分析了鑲拼圓環(huán)高度參數(shù)變化對換能器電聲性能的影響; 合理設計了圓環(huán)高度, 實現(xiàn)了圓環(huán)徑向呼吸振動模態(tài)與高度方向彎曲振動模態(tài)耦合, 達到了拓寬頻帶的目的。采用薄壁設計以降低質量及空間占用, 并通過模態(tài)分析闡述了該換能器在諧振頻率以下頻帶內的振動形式及聲性能特點。根據(jù)仿真優(yōu)化結果, 制作了換能器樣機。經(jīng)測試, 換能器在5.5 ~33 kHz工作頻段內, 發(fā)送電壓響應帶內起伏約為±4 dB, 仿真與實際測試結果基本吻合。帶內聲源級大于173 dB; 低頻段500 Hz~1 kHz頻帶內聲源級大于144 dB, 具備一定的低頻聲發(fā)射性能。文中工作可為實現(xiàn)小口徑UUV換能器的低頻、寬頻帶聲發(fā)射提供參考。

水下無人航行器; 鑲拼圓環(huán)換能器; 寬頻帶

0 引言

近年來, 隨著對海洋探索步伐的逐漸加快, 具備探測功能的無人水下航行器(unmanned undersea vehicle，UUV)的發(fā)展也愈加快速, 其種類繁多, 功能涉及地形測繪、戰(zhàn)場探測、節(jié)點通信等[1]。水聲換能器是UUV聲探測功能的重要組成部分, 是完成電、聲能量轉換的關鍵組件。大直徑UUV可容納大型低頻換能器, 其投放平臺多以艦艇為主; 小型UUV則可利用飛機實現(xiàn)空中投放[2], 機動優(yōu)勢明顯, 但對UUV本身的體積和質量有嚴格限制。鑒于換能器頻率與尺寸成反相關特性, 為使小型UUV具備低頻探測功能, 要求其換能器具備低頻率、寬頻帶、小體積、輕質量等特性, 這也是當今低頻換能器的主要發(fā)展方向。

2 kHz以下頻段的換能器有溢流圓環(huán)、彎張、彎曲圓盤等形式。在美國低頻主動拖曳聲吶裝備中, 可見使用溢流圓環(huán)[3-4]、彎張換能器[5]構成的大型發(fā)射基陣, 但發(fā)射陣體積質量大, 吊放困難; 其后出現(xiàn)了使用凹桶型彎張換能器直接置于長纜中構成的輕質主動拖曳陣線列陣[6], 該種形式線性尺寸過長, 不適用于可空投的小型UUV。常見裝備中的主動探測型空投浮標、航空吊放聲吶[7]等設備上, 使用小口徑彎曲圓盤換能器構成的陣列結構可作為小體積發(fā)射聲源, 進一步減小體積質量。國內也出現(xiàn)了新結構、新材料的換能器形式[8-9], 但距離工程應用有一定距離。

基于此, 文中研究了一種適用于小型UUV的薄壁鑲拼圓環(huán)換能器, 以期實現(xiàn)小口徑UUV的低頻聲發(fā)射。文中涉及的UUV口徑約100 mm, 聲信號發(fā)射需覆蓋1 kHz以下頻段及30 kHz附近頻段, 為降低換能器占用的質量和空間, 選擇小口徑圓環(huán)型換能器作為發(fā)射聲源, 其安裝方式如圖1所示。與彎曲圓盤陣相比, 圓環(huán)內部空間可放置其他組件, 以提高空間利用率, 顯著降低換能器質量。為獲得較高的發(fā)射聲源級, 選擇鑲拼型圓環(huán), 合理設計其諧振頻率的同時, 探索其在非諧振頻帶的發(fā)射性能, 實現(xiàn)在較寬頻帶范圍內的應用。

1 鑲拼圓環(huán)換能器設計

對于單峰諧振的換能器, 定義其為低于最大響應3 dB的2個頻率差為換能器的頻帶寬度[5]。在工程上較多使用多模態(tài)耦合的寬帶換能器, 其多峰間的發(fā)送電壓響應起伏往往大于 3 dB, 常用±3 dB或其他數(shù)值等來表述, 稱之為工作帶寬。隨著數(shù)字電路及電子技術的發(fā)展, 可以通過數(shù)字方式對信號的控制來補平換能器的頻帶響應, 為非諧振狀態(tài)下使用發(fā)射換能器性能提供了可能。

1.1 理論分析方法

鑲拼圓環(huán)換能器是由厚度方向極化的楔形壓電陶瓷條及形狀相同的無源材料條(如金屬、塑料等)鑲拼構成, 結構簡單緊湊?？諝庵械膹较蛑C振頻率計算公式[6]

當鑲拼圓環(huán)全部由壓電陶瓷條構成時, 上述公式簡化為

鑲拼圓環(huán)輻射聲功率[2]

文中, 鑲拼圓環(huán)全部使用PZT4壓電陶瓷條構成, 不使用無源材料。因圓環(huán)諧振頻率主要由圓環(huán)直徑?jīng)Q定, 為盡量實現(xiàn)低頻聲發(fā)射, 在航行器允許直徑下選取最大值, 經(jīng)計算, 圓環(huán)的諧振頻率約為8.5 kHz。

由式(3)可知, 圓環(huán)的壁厚、陶瓷條數(shù)量、圓環(huán)高度對換能器的聲發(fā)射性能均有影響。因小型UUV可提供的電壓不高, 應盡量提高換能器的發(fā)送電壓響應值, 即增加構成圓環(huán)的陶瓷條數(shù), 使單條陶瓷厚度穩(wěn)定耐受功放電壓即可, 無需做更多余量; 圓環(huán)壁厚的增加, 在一定程度上有利于提高發(fā)射性能, 同時會顯著增加換能器重量; 圓環(huán)高度與輻射聲功率成正比特性, 同時會對圓環(huán)軸向指向性有較大影響。在設計鑲拼圓環(huán)換能器時應綜合考慮各參數(shù)因素。

針對圓環(huán)各結構參數(shù)對聲性能分析時, 均使用有限元軟件ANSYS進行分析。

1.2 有限元仿真

如圖2所示, 為簡化計算流程, 在ANSYS軟件中建立鑲拼圓環(huán)換能器的1/有限元模型。

在500 Hz~50 kHz頻段上對模型進行諧響應分析及模態(tài)分析。一般圓環(huán)有2種主要振動模態(tài), 即圓環(huán)的擴張收縮振動模態(tài)(呼吸振動模態(tài))及圓環(huán)高度方向的彎曲振動模態(tài)[7]。高度較短時, 激發(fā)圓環(huán)呼吸振動模態(tài); 增加圓環(huán)高度, 呈現(xiàn)2種模態(tài)相互耦合狀態(tài); 繼續(xù)增加高度, 則2種模態(tài)分離。該現(xiàn)象會導致某種徑高比下圓環(huán)端向聲能量較輻射面法線方向更為集中。通過合理設計2種模態(tài)耦合程度, 可在一定程度上拓展圓環(huán)的工作帶寬。

鑲拼圓環(huán)在UUV上與殼體同軸線安裝, 在考慮圓環(huán)高度彎曲模態(tài)與呼吸振動模態(tài)耦合的同時, 應注意對圓管輻射面法線方向指向性開角要求, 所以圓環(huán)高度參數(shù)設計得較短。圖3為換能器空氣中電導納(-)仿真曲線圖, 圓環(huán)空氣中的諧振頻率為8500 Hz, 與理論計算相符。在諧振頻率處的振動模態(tài)較為單一, 為圓環(huán)呼吸振動模態(tài), 如圖4所示。

利用上述結果, 在軟件中建立鑲拼圓環(huán)在水中的有限元模型, 進一步計算換能器在水介質中的電聲性能。通過諧響應分析可得到換能器的發(fā)送電壓響應(transmitting voltage response, TVR)仿真曲線圖, 如圖5所示。由圖中可知, 圓環(huán)水中的諧振頻為7 kHz, 最大發(fā)送電壓響應級為143 dB, 5.5~30 kHz頻帶范圍, 帶內發(fā)送電壓響應級均大于130 dB, 該頻帶可以作為工作頻率應用。

在諧振頻率附近, 圓環(huán)呼吸振動模態(tài)做主要貢獻, 10~30 kHz為平坦段, 觀察30 kHz處的振動模態(tài)(見圖6)可知, 圓環(huán)高度方向的彎曲振動模態(tài)與呼吸振動模態(tài)呈耦合作用, 提供了較寬頻帶范圍內的平坦響應, 該模態(tài)在此頻段是有益的。

諧振頻率以下頻段, 響應曲線快速下降, 針對3 kHz頻點做模態(tài)分析, 如圖7所示。模態(tài)純凈, 為呼吸振動, 即諧振點以下頻段圓環(huán)均做呼吸振動, 此時阻抗過大, 電壓激勵的響應較小,但仍可工作。該現(xiàn)象也可解釋圓環(huán)形換能器在諧振點以下頻段接收靈敏度曲線平坦的現(xiàn)象。在頻響曲線35 kHz以后的頻段, 曲線開始有明顯下降、抖動現(xiàn)象。由圖8可知, 在該頻段處, 開始出現(xiàn)圓環(huán)圓周方向的高階彎曲振動模態(tài), 與呼吸振動模態(tài)、高度彎曲振動模態(tài)相互耦合現(xiàn)象, 這種模態(tài)耦合對設計不利, 應在設計及使用中盡量避免。

2 換能器電聲性能測試

根據(jù)上述分析結果, 制作了薄壁鑲拼圓環(huán)換能器, 如圖9所示。該換能器最大尺寸與航行器外徑相同, 約100 mm, 高度不大于60 mm, 換能器質量不大于600 g。配合航行器專用功放, 在消聲水池中進行了測量。將測試的發(fā)送電壓響應曲線與仿真曲線進行對比, 如圖10所示。

從圖中可知, 仿真曲線與設計測試曲線吻合較好, 5.5~33 kHz帶內起伏約為±4 dB, 最大TVR曲線為138 dB。在低頻段, 實際測試頻響較仿真略大, 且有一個較小的振動峰; 推測實際鑲拼陶瓷圓環(huán)在裝配中受到不均勻應力等作用, 造成實際模型與仿真模型不符, 仿真結果與實測結果出現(xiàn)了一定誤差。

圖11給出了換能器的發(fā)射聲源級測試曲線, 在4~33 kHz頻段, 聲源級可達到173 dB以上, 最大聲源級185 dB; 低頻段500 Hz~1 kHz頻帶內聲源級大于144 dB。

3 結束語

為了實現(xiàn)小口徑UUV的低頻聲發(fā)射, 進一步降低發(fā)射換能器在航行器中的體積、質量占比及拓寬換能器可用頻帶, 文中根據(jù)振動理論得到的頻率和聲功率計算公式, 計算了鑲拼圓環(huán)的平均半徑。結合有限元軟件ANSYS, 分析了高度結構參數(shù)變化對鑲拼圓環(huán)換能器聲發(fā)射性能的影響。最終制作了一種應用于小型UUV的薄壁鑲拼圓環(huán)聲發(fā)射換能器樣機。經(jīng)測試, 該換能器在5.5~33 kHz工作頻段內, 帶內起伏約為±4 dB, 最大TVR為138 dB, 測試結果與仿真結果基本相符, 實現(xiàn)了寬帶發(fā)射性能。同時, 在諧振頻率以下頻段(低端)上, 對鑲拼圓環(huán)換能器進行了模態(tài)分析和聲學性能仿真, 闡述了鑲拼圓環(huán)換能器在該頻段的主要振動形式及聲性能特點。經(jīng)測試, 換能器在500 Hz~1 kHz頻帶內聲源級大于144 dB, 可實現(xiàn)噪聲源模擬等工作, 具備一定的低頻聲發(fā)射性能。文中的工作探索了適用于小型UUV的鑲拼圓環(huán)換能器在寬頻帶范圍上的可應用性, 可為實現(xiàn)小口徑UUV換能器的低頻、寬頻帶聲發(fā)射提供參考。后續(xù)工作中還需進一步開展1 kHz以下聲發(fā)射性能研究。

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(1. The 705th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2, Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710077, China)

underwater unmanned vehicle(UUV); mosaic cylindrical transducer; broad bandwidth

TJ6; TB556

A

2096-3920(2018)05-0498-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.019

2018-09-01;

2018-09-28.

宋 哲(1988-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水聲工程技術.

宋哲, 嚴由嶸. 一種鑲拼圓環(huán)換能器寬頻帶應用研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(5): 498-502.

(責任編輯: 楊力軍)