楊斌穎 王艷 劉振君 付昌

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

隨著水聲裝備的不斷發(fā)展，各研究機(jī)構(gòu)對(duì)低頻大功率聲源的需求越來(lái)越迫切[1]。目前常用的發(fā)射換能器類型主要包括鑲拼圓環(huán)換能器、Tonpilz換能器、彎張換能器、彎曲圓盤(pán)換能器等。典型的有中科院聲學(xué)所研制的魚(yú)唇式彎張換能器，諧振頻率可以從100 Hz覆蓋到1.8 kHz，單只換能器諧振頻率下聲源級(jí)在190 dB以上[2-3]；中船重工第七二六研究所研制的彎曲圓盤(pán)換能器，在尺寸140 mm時(shí)，諧振頻率為1.7 kHz。從各類型低頻換能器的性能比較來(lái)看：圓環(huán)換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐壓能力適中，但尺寸相對(duì)較大；Tonpilz換能器裝配簡(jiǎn)單，發(fā)送電壓響應(yīng)較高，但具有明顯的指向性；彎張換能器尺寸小，但耐壓性能較差，工作帶寬窄；彎曲圓盤(pán)換能器一般需要組合使用，尺寸和耐壓能力適中，工作帶寬較窄。可以看到，各類型的換能器在尺寸、帶寬、耐壓能力等方面各有自身的優(yōu)勢(shì)和不足。在某些特定的使用環(huán)境和性能指標(biāo)下，以上幾種換能器或許不能滿足需求。

碟形縱彎換能器是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的換能器，尺寸與鑲拼圓環(huán)換能器相當(dāng)時(shí)，諧振頻率介于彎張換能器和鑲拼圓環(huán)換能器之間，帶寬和耐壓性能均優(yōu)于彎張換能器，且具備大功率發(fā)射能力。特別地，與傳統(tǒng)換能器相比，碟形換能器裝配工藝簡(jiǎn)單，無(wú)需使用聚氨酯水密，更適合長(zhǎng)時(shí)間在水下布放。本文介紹了碟形縱彎換能器的基本結(jié)構(gòu)及工作方式，通過(guò)有限元軟件分析了換能器的振動(dòng)模態(tài)和電聲性能，根據(jù)碟形縱彎換能器的振動(dòng)模態(tài)和輻射特性對(duì)換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，研制了一款發(fā)射功率較大、工作帶寬較寬的換能器樣機(jī)。

1 換能器基本結(jié)構(gòu)

碟形縱彎換能器主要包括殼體和驅(qū)動(dòng)振子兩部分，如圖1所示。其中驅(qū)動(dòng)振子由壓電陶瓷堆組成。驅(qū)動(dòng)振子兩端分別與上下殼體內(nèi)表面連接，上下殼體通過(guò)螺桿緊固，形成空氣被襯結(jié)構(gòu)。換能器工作時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)振子加電激勵(lì)，驅(qū)動(dòng)振子沿軸向作伸縮運(yùn)動(dòng)，金屬塊將位移傳遞給上下殼體，帶動(dòng)殼體作縱彎振動(dòng)。

圖1 碟形縱彎換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真分析

本文采用有限元軟件對(duì)碟形縱彎換能器的模態(tài)和電聲性能進(jìn)行了仿真計(jì)算。根據(jù)換能器自身的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在局部模型上施加對(duì)稱邊界模擬完整結(jié)構(gòu)。換能器殼體選用密度相對(duì)較小的硬鋁材料，驅(qū)動(dòng)振子選用PZT-4壓電陶瓷，過(guò)渡金屬塊則選用應(yīng)力極限較大的不銹鋼材料。

2.1 換能器主要模態(tài)

對(duì)碟形縱彎換能器進(jìn)行模態(tài)分析，得到換能器的振動(dòng)模態(tài)如圖2所示，該模態(tài)為殼體的縱彎振動(dòng)模態(tài)。換能器殼體與驅(qū)動(dòng)振子振動(dòng)相位一致，無(wú)反相區(qū)，在該振動(dòng)模態(tài)下，換能器能得到較高的電聲效率。這是換能器的主要工作模態(tài)。

圖2 一階縱彎振動(dòng)模態(tài)

2.2 電聲性能分析

通過(guò)對(duì)換能器的有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)計(jì)算分析換能器的聲輻射特性。圖3為優(yōu)化后的換能器樣機(jī)在空氣中的電導(dǎo)曲線，空氣中諧振頻率為2.65 kHz，諧振點(diǎn)電導(dǎo)值7 mS。

圖3 空氣中電導(dǎo)曲線

圖4～5為仿真得到的換能器水中電導(dǎo)曲線和發(fā)送電壓響應(yīng)曲線，諧振頻率為1.8 kHz，諧振點(diǎn)電導(dǎo)691 μS，發(fā)送電壓響應(yīng)138.3 dB，在1.5～3 kHz頻段內(nèi)起伏小于3 dB。

圖4 水中電導(dǎo)曲線

圖5 發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

3 換能器制作與測(cè)試

實(shí)際制作的碟形縱彎換能器如圖6所示，直徑340 mm，高320 mm，重量約12 kg。

圖6 換能器樣機(jī)

換能器樣機(jī)在莫干山實(shí)驗(yàn)站完成了測(cè)試，待測(cè)換能器和水聽(tīng)器均被放置在水下15 m處，并保持收發(fā)距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。圖7為換能器水中電導(dǎo)曲線仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比情況，測(cè)量得到換能器的諧振頻率為1.8 kHz，諧振點(diǎn)電導(dǎo)值為612 μS。電導(dǎo)曲線的走勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致，只是數(shù)值上存在一定差異，可能原因是壓電陶瓷的實(shí)際性能參數(shù)與仿真設(shè)置的性能參數(shù)有差異。

圖7 水中電導(dǎo)曲線對(duì)比

圖8為換能器發(fā)送電壓響應(yīng)與仿真結(jié)果對(duì)比情況，1.8 kHz時(shí)換能器發(fā)送電壓響應(yīng)達(dá)到最大值138 dB，在1.8～4 kHz頻段內(nèi)，換能器樣機(jī)的測(cè)試值與仿真結(jié)果吻合較好；特別是在1.5～3 kHz頻段內(nèi)，換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)起伏小于3 dB，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)目標(biāo)。從電導(dǎo)曲線和發(fā)送電壓響應(yīng)曲線可以看出，換能器樣機(jī)的帶寬較寬，發(fā)送電壓響應(yīng)略低于仿真值，而且在低頻段更為明顯。可能的原因有兩個(gè)：一是換能器裝配時(shí)無(wú)法保證驅(qū)動(dòng)振子、上下殼體這三部分完全同心，換能器不是一個(gè)完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這將引起振動(dòng)耦合，導(dǎo)致?lián)Q能器帶寬變寬；另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)振子和上下殼體需要很好的機(jī)械配合，實(shí)際操作中很難保證驅(qū)動(dòng)振子和殼體完全剛性連接，導(dǎo)致傳遞效率下降，發(fā)送電壓響應(yīng)變低。

圖8 發(fā)送電壓響應(yīng)曲線對(duì)比

圖9為換能器聲源級(jí)測(cè)試結(jié)果，施加電壓有效值1.3 kV，諧振點(diǎn)聲源級(jí)為200.3 dB，在1.5～3 kHz頻段內(nèi)聲源級(jí)大于196 dB。

圖9 聲源級(jí)測(cè)試曲線

圖10～11分別為換能器在諧振頻率1.8 kHz時(shí)的水平和垂直指向性圖?？梢钥吹綋Q能器在諧振點(diǎn)處具有全指向性。

圖10 水平指向性圖

圖11 垂直指向性圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制作了一款碟形縱彎換能器，這種新型結(jié)構(gòu)的換能器具有裝配工藝簡(jiǎn)單、諧振頻率低、工作頻帶寬、發(fā)射功率大等優(yōu)點(diǎn)，適于用作低頻大功率聲源。后續(xù)工作將對(duì)換能器的結(jié)構(gòu)和材料作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)換能器的耐壓性能進(jìn)行研究。