田豐華, 劉亞盈, 何文峰

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3種輻射頭水聲寬帶換能器設(shè)計(jì)及布陣技術(shù)應(yīng)用

田豐華, 劉亞盈, 何文峰

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了充分利用聲納的布陣空間, 增加輻射面積, 從而提高聲納基陣的整體性能, 采用了有限元分析方法, 借助ANSYS軟件設(shè)計(jì)了圓形、方形和六邊形輻射頭水聲寬帶換能器。在輻射面積、壓電元件和長(zhǎng)度等要素相同的條件下, 仿真計(jì)算了3種不同形狀的輻射頭對(duì)水聲寬帶換能器諧振頻率、發(fā)送電壓響應(yīng)、自由場(chǎng)電壓接收靈敏度和收發(fā)頻帶寬度等性能的影響, 并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化; 研制了3種不同形狀輻射頭換能器并進(jìn)行了水池試驗(yàn), 測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。最后, 在聲納開窗尺寸相同的情況下, 對(duì)3種換能器的布陣效果進(jìn)行了研究。

水聲寬帶換能器; 電聲性能; 有限元方法

0 引言

聲納基陣的設(shè)計(jì)主要解決2類問題[1]: 一是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位、定向和測(cè)速; 二是提高空間處理增益, 改善接收機(jī)輸入端的信噪比。眾所周知,解決上述問題, 簡(jiǎn)單有效的方法之一就是增加聲納基陣的陣元個(gè)數(shù), 提高輻射面積。而在魚雷開窗尺寸限定的情況下, 增加陣元個(gè)數(shù)和提高輻射面積是研究的瓶頸。本文針對(duì)這一問題, 研制了圓形、方形及六邊形輻射頭水聲寬帶換能器, 根據(jù)不同的開窗尺寸, 選擇合適的輻射面形狀, 為后續(xù)聲納基陣研制提供參考。

1 設(shè)計(jì)原理及波束分析

目前水聲換能器的設(shè)計(jì)主要借助有限元理論、邊界元理論和機(jī)電耦合理論作為理論指導(dǎo)[2-3], 本節(jié)從工程應(yīng)用的角度, 簡(jiǎn)要介紹水聲換能器的設(shè)計(jì)理論和與聲納技術(shù)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的電聲性能。

1.1 水聲換能器的設(shè)計(jì)原理

有限元法(finite element method, FEM)屬于力學(xué)分析中的數(shù)值法, 它能解決換能器設(shè)計(jì)中的許多實(shí)際問題, 不需要對(duì)任何結(jié)構(gòu)形狀的換能器做簡(jiǎn)化假設(shè)。有限元方法所依據(jù)的能量變分原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中,表示拉格朗日函數(shù), 且

=-(-)+(-) (2)

其中:表示系統(tǒng)的動(dòng)能;表示彈性應(yīng)變能;表示外界機(jī)械力所做的功;為電場(chǎng)中的電能;為外界電場(chǎng)力所做的功。

具有線性行為的壓電材料, 滿足-型壓電方程

=CS-(3)

=T+(4)

如果選擇3D單元, 則上式為6×1階應(yīng)力矩陣;為3×1階電位移矢量;為6×1階應(yīng)變矢量;為3×1電場(chǎng)矢量;為電場(chǎng)恒定時(shí)壓電材料各向異性的6×6彈性矩陣;為6×3壓電系數(shù)矩陣;為恒應(yīng)變下的3×3階介電系數(shù)矩陣;上角標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置矩陣

(-2)=(5)

T+CV=(6)

式(5)表征機(jī)械載荷力與機(jī)電耦合力作用下的動(dòng)力學(xué)方程。式中：為總剛度陣;為總質(zhì)量陣;為系統(tǒng)位移向量;為機(jī)電耦合向量;為電極面上的電勢(shì)。式(6)則表征外電場(chǎng)與機(jī)電耦合作用下的電路狀態(tài)方程,為電極面上的自由電荷電量。

考慮界面處能量損耗的聲波離散方程

結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)有限元方程

其中,為載荷力向量。

考慮損耗的聲波離散方程和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)有限元方程, 得到完整的流體-結(jié)構(gòu)耦合問題的有限元法離散方程

邊界元法是將區(qū)域上的控制方程轉(zhuǎn)化為沿區(qū)域邊界的積分方程, 只需定義邊界上的單元再結(jié)合邊界條件求解, 邊界元理論是建立在有限元理論基礎(chǔ)上。一般情況下, 完整的聲學(xué)裝置先用有限元理論設(shè)計(jì)水聲換能器, 然后應(yīng)用邊界元理論設(shè)計(jì)基陣。機(jī)電耦合理論主要用于推導(dǎo)水聲換能器的性能指標(biāo), 以簡(jiǎn)化模型。

1.2 水聲換能器的波束分析

水聲換能器的電聲性能主要包括諧振頻率、反諧振頻率、導(dǎo)納及有效機(jī)電耦合系數(shù)發(fā)送電壓響應(yīng)以及自由場(chǎng)電壓接收靈敏度等, 這里僅推導(dǎo)了工程應(yīng)用中波束修正的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。

波束計(jì)算修正

2 3種輻射頭水聲換能器有限元計(jì)算

為了提高聲納基陣的整體性能, 結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)了3種輻射頭的水聲換能器[4-5], 除了輻射頭的形狀各不相同外, 其他條件均相同。應(yīng)用有限元計(jì)算, 分析了每一種換能器的電聲性能。本文重點(diǎn)從空氣介質(zhì)和水域介質(zhì)兩方面對(duì)3種不同形狀輻射頭水聲換能器進(jìn)行深入分析, 對(duì)其在聲納系統(tǒng)應(yīng)用中所關(guān)心的整體性能指標(biāo)進(jìn)行了研究。

2.1 空氣介質(zhì)中3種輻射頭換能器性能

主要分析了3種水聲換能器的導(dǎo)納變化規(guī)律, 結(jié)果如圖1所示，其作用在于控制輻射頭水聲換能器的諧振頻率以及阻抗特性, 為水域介質(zhì)中的換能器頻段分析提供參考。

2.2 水域介質(zhì)中換能器的性能

建立了3D流體模型, 在15 ~25 kHz頻帶內(nèi), 理論計(jì)算了3種輻射頭水聲換能器的發(fā)送電壓響應(yīng), 給出了發(fā)送電壓響應(yīng)-頻率曲線, 如圖2所示。利用機(jī)電耦合、彈性力學(xué)等理論, 計(jì)算了3種輻射頭水聲換能器的自由場(chǎng)電壓接收靈敏度, 其結(jié)果如圖3所示。

圖1 空氣介質(zhì)中3種輻射頭換能器導(dǎo)納-頻率曲線

圖2 3種輻射頭水聲換能器發(fā)送電壓響應(yīng)-頻率曲線

圖3 3種輻射頭水聲換能器自由場(chǎng)電壓接收靈敏度-頻率曲線

Fig. 3 Receiving sensitivity-frequency curves of free fie- ld voltage of transducers with three different shape of radiator

計(jì)算了3種輻射頭水聲換能器在=19 kHz時(shí)的指向性, 由于3種輻射頭水聲換能器的計(jì)算結(jié)果比較類似, 這里僅給出了六邊形輻射頭水聲換能器的指向性曲線, 如圖4所示。從水域介質(zhì)中3種輻射頭水聲換能器的仿真結(jié)果可以看出前蓋板形狀的變化對(duì)該換能器電聲性能的影響。在其他尺寸限定的情況下, 通過調(diào)節(jié)換能器前蓋板的形狀仍可使水聲換能器的性能有很大提高。

圖4 六邊形輻射頭換能器在f=19 kHz時(shí)的指向性圖

同時(shí)通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力螺桿的尺寸在一定程度上也可以改善水聲換能器的性能。在聲納基陣中, 通過該方法可以改善整個(gè)基陣的性能。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過理論計(jì)算和仿真設(shè)計(jì)了3種不同輻射頭水聲寬帶換能器, 即圓形、方形和六邊形輻射頭換能器, 其測(cè)試結(jié)果如下。

3.1 空氣介質(zhì)中3種輻射頭換能器性能測(cè)試

用4194A阻抗分析儀在空氣介質(zhì)中對(duì)3種換能器進(jìn)行了性能測(cè)試, 其結(jié)果如表1所示。

表1 3種輻射頭換能器在空氣介質(zhì)中的性能

在正常大氣壓下, 3種輻射頭換能器均可以耐 2 700 V/min的直流高壓，通過的電流峰峰值1.1 A。

3.2 水域介質(zhì)中3種輻射頭換能器性能測(cè)試

3.2.1 電導(dǎo)及阻抗測(cè)試

分析了3種不同形狀輻射頭水聲寬帶換能器在水域介質(zhì)中的電導(dǎo)及阻抗分布, 其結(jié)果如圖5和圖6所示。其作用在于控制3種輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率以及阻抗特性, 為換能器工作頻段選擇及匹配提供參考。

圖5 水域介質(zhì)中3種輻射頭水聲寬帶換能器電導(dǎo)-頻率曲線

圖6 水域介質(zhì)中3種輻射頭水聲寬帶換能器阻抗-頻率曲線

從圖5和圖6可以看出, 3種輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率分別為17.5 kHz, 18 kHz, 18.5 kHz。方形輻射頭水聲寬帶換能器的阻抗較大, 圓形輻射頭和六邊形輻射頭水聲寬帶換能器的阻抗相當(dāng)。

3.2.2 發(fā)射性能測(cè)試

使用水聲自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理樣陣的發(fā)射性能。對(duì)3種輻射頭水聲寬帶換能器進(jìn)行了發(fā)射性能測(cè)試, 其結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種輻射頭水聲寬帶換能器發(fā)送電壓響應(yīng)-頻率曲線

從圖7可以看出, 在其他條件基本相同的情況下, 3種不同形狀輻射頭水聲寬帶換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)相差很小, 其變化規(guī)律基本相同。

3.2.3 發(fā)射指向性測(cè)試

圖8 六邊形輻射頭水聲寬帶換能器在極坐標(biāo)系下的接收指向性圖

圖9 圓形輻射頭水聲寬帶換能器在極坐標(biāo)系下的接收指向性圖

3.2.4 接收性能測(cè)試

使用水聲自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理樣陣的接收性能。水聲自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)接發(fā)射換能器, 發(fā)射單頻脈沖信號(hào), 濾波放大器接收原理樣陣中每個(gè)陣元輸出的信號(hào)。其接收靈敏度測(cè)試結(jié)果見圖11。

由圖11看出, 3種輻射頭水聲寬帶換能器的自由場(chǎng)電壓接收靈敏度差異較小, 圓形輻射頭水聲寬帶換能器的接收靈敏度較高, 方形輻射頭水聲寬帶換能器接收靈敏度的-3 dB帶寬較寬, 六邊形輻射頭水聲寬帶換能器的接收性能居兩者之間。

圖10 方形輻射頭水聲寬帶換能器在極坐標(biāo)系下的接收指向性圖

圖11 3種輻射頭水聲寬帶換能器自由場(chǎng)電壓接收靈敏度-頻率曲線

4 布陣分析

本文結(jié)合特定聲納基陣的開窗尺寸, 在特定的頻段, 對(duì)3種換能器進(jìn)行了布陣研究。從陣元個(gè)數(shù)方面分析, 該聲納基陣所能容納的六邊形輻射面的陣元個(gè)數(shù)是方形的1.25倍, 是圓形輻射面陣元個(gè)數(shù)的1.1倍; 從整個(gè)基陣的輻射面積方面分析, 六邊形輻射面的基陣輻射面積是方形輻射面基陣輻射面積的1.1倍, 是圓形輻射面基陣輻射面積的1.2倍; 從整個(gè)基陣的陣列方面分析, 六邊形輻射面的基陣比圓形輻射面的基陣增加了1列, 比方形輻射面的基陣增加了2列。

從以上分析可以看出, 本文所研究的聲納基陣中, 在滿足技術(shù)要求的條件下, 六邊形輻射頭的陣元對(duì)整個(gè)基陣的性能從陣元個(gè)數(shù)、輻射面積及波束方面貢獻(xiàn)較大, 針對(duì)該聲納基陣而言, 優(yōu)先選用六邊形輻射頭的水聲寬帶換能器。

5 結(jié)束語

本文從理論設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)層面對(duì)3種不同形狀輻射頭水聲換能器進(jìn)行了研究; 從基陣輻射面積、陣元個(gè)數(shù)和陣列方面對(duì)3種輻射頭水聲寬帶換能器的布陣方面進(jìn)行了分析[6]?？偨Y(jié)了前蓋板的形狀及預(yù)應(yīng)力螺桿的變化對(duì)水聲換能器性能的影響。

通過試驗(yàn)可知, 圓形輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率最低,-3 dB束寬最窄; 方形輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率最高,-3 dB束寬最寬, 阻抗最大; 六邊形輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率和束寬位于其中; 三者的發(fā)射、接收及功率容限等性能差異較小, 這與理論及仿真計(jì)算結(jié)果得到的結(jié)論比較一致。其中, 3種輻射頭水聲寬帶換能器的阻抗及相角與理論設(shè)計(jì)值差別較大。其布陣分析, 對(duì)聲納基陣的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義, 為后續(xù)基陣的研制提供參考。

[1] 田豐華, 呂林夏, 錢建平. Cymbal換能器的有限元分析仿真技術(shù)研究[J]. 魚雷技術(shù), 2007, 15(3): 51-54.

Tian Feng-hua, Lü Lin-xia, Qian Jian-ping, Finite Element Analysis and Dynamic Simulation of Cymbal Transducer[J], Torpedo Technology, 2007, 15(3): 51-54.

[2] Newnham R E, Dogan A, Markley D C, et al. Size Effects in Capped Ceramic Underwater Sound Projectors[J]. IEEE Ocean, 2002, 48(4): 2315-2321.

[3] 欒桂冬, 張金鐸, 王仁乾. 壓電換能器和換能器陣[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2005: 432-435.

[4] Sha K, Yang J, Gan W S. A Simple Calculation Method for the Self-and Mutual-radiation Impedance of Flexible Rectangular Patches in a Rigid Infinite Baffle[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 28(2): 179-195.

[5] 余南輝, 范吉軍, JaeHwan Kim, 等. 壓電水聲換能器的 聲學(xué)特性分析[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2009, 28(2): 191-195. Yü Nan-hui, Fan Ji-jun, JaeHwan Kim, et al. Acoustics Capability Analysis of Piezoelectricity Transducer[J]. Acoustics Technology, 2009, 28(2): 191-195.

[6] 平自紅. 陣列互輻射及其控制的實(shí)驗(yàn)室研究[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2006, (49): 65-69.Ping Zi-hong. Laboratory Study of Array Mutual Radiation and Dominator[J]. Acoustics and Electronic Engineering, 2007, 15(3): 51-54.

Design on Underwater Broadband Acoustic Transducer with Three Different Shape of Radiator and Its Application to Sonar Array Arrangement Technology

TIAN Feng-hua, LIU Ya-ying, HE Wen-feng

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Underwater broadband acoustic transducers with round, square and hexagonal radiators are designed by using finite element method and software ANSYS to make full use of sonar array space, increase radiant area and hence improve overall characteristics of a sonar array. Under the conditions of same radiant area, piezoelectric elements, and length of transducers, etc., the influences of the radiators in the above three shapes on the resonance frequency, transmitting voltage response, receiving sensitivity of free field voltage, and receiving/transmitting frequency bandwidth of underwater broadband acoustic transducers are simulated, and the transducer structure is optimized. The transducers with the three shapes of radiators are fabricated and tested in a tank, respectively. The test results agree well with the calculations. In addition, the effectiveness of three arrangements of acoustic transducers is evaluated for same sonar window dimension.

underwater broadband acoustic transducer; electroacoustical characteristics; finite element method(FEM)

TJ630.34; TB565.1

A

1673-1948(2012)05-0348-05

2011-12-07;

2012-03-27.

田豐華(1981-), 男, 工程師, 研究方向?yàn)轸~雷聲學(xué)裝置.

(責(zé)任編輯:楊力軍)