田豐華, 宋 哲

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一種多諧振寬帶復(fù)合棒聲學(xué)換能器的設(shè)計(jì)與性能分析

田豐華, 宋 哲

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

為了拓展壓電聲學(xué)換能器工作帶寬, 提高發(fā)射性能, 減小發(fā)射起伏, 綜合利用了匹配層、雙激勵(lì)、彎曲振動(dòng)、中間質(zhì)量塊開槽等拓展帶寬的方法, 設(shè)計(jì)了一種新型多諧振寬帶復(fù)合棒聲學(xué)換能器。利用有限元方法對(duì)該換能器進(jìn)行了模態(tài)分析, 研究了匹配層厚度、中間質(zhì)量塊尺寸對(duì)其發(fā)射性能的影響。通過試驗(yàn)驗(yàn)證, 得到該換能器工作帶寬12 kHz~42 kHz, 發(fā)送電壓響應(yīng)大于140 dB, 頻帶內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)起伏小于6 dB。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。

聲學(xué)換能器; 多諧振寬帶; 模態(tài)分析; 有限元方法

0 引言

為了提高魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)的探測(cè)能力, 適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境, 獲取更多的水下信息, 現(xiàn)代水下裝備武器多采用寬頻帶水聲換能器。其優(yōu)勢(shì)在于: 1) 水聲換能器工作頻帶展寬, 并向低頻段延伸, 可以彌補(bǔ)安靜型潛艇由于目標(biāo)強(qiáng)度降低而造成作用距離減小的缺點(diǎn); 2) 環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng), 在淺海復(fù)雜環(huán)境下, 海面、海底反射形成的混響是影響水下尖端武器性能的重要因素, 寬帶信號(hào)可提高其混響背景下的檢測(cè)能力; 3) 估計(jì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)要素精度高, 利于遠(yuǎn)距離真假目標(biāo)識(shí)別和近程的垂直命中精確打擊, 即距離分辨力與信號(hào)帶寬成正比, 帶寬越寬, 距離分辨力精度越高, 目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng), 寬帶信號(hào)可以使目標(biāo)回波攜帶更多的目標(biāo)信息, 具有很強(qiáng)的目標(biāo)識(shí)別能力。由于縱振復(fù)合棒換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定可靠、布陣便捷、單指向性等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)聲學(xué)裝置、水下探測(cè)、仿真系統(tǒng)等領(lǐng)域, 是近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn), 主要體現(xiàn)在拓展縱振復(fù)合棒換能器的頻帶寬度方面。目前, 針對(duì)拓展縱振復(fù)合棒換能器的頻帶寬度研究, 主要應(yīng)用匹配層[1-4]、雙激勵(lì)[5-7]、彎曲振動(dòng)[8]、開槽等技術(shù), 通常可獲得近一個(gè)倍頻程的帶寬。為了進(jìn)一步拓展聲學(xué)換能器的頻帶寬度, 文章對(duì)多諧振聲學(xué)換能器進(jìn)行了深入研究, 主要通過匹配層、雙激勵(lì)、中間質(zhì)量塊開槽、彎曲振動(dòng)等多種方法獲得縱振復(fù)合棒換能器的多諧振峰。由于多種彎曲振動(dòng)的耦合, 很難控制聲學(xué)換能器各部件的相位, 導(dǎo)致在頻帶內(nèi)發(fā)射性能不連續(xù)(帶內(nèi)起伏較大)。文中通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化, 在后質(zhì)量塊、后壓電晶堆與預(yù)應(yīng)力螺桿之間加位移約束, 使三者之間的相位基本一致, 在透聲層的厚度及材料方面也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 解決了帶內(nèi)發(fā)射性能不連續(xù)問題, 進(jìn)行了大批量生產(chǎn), 并已在工程上推廣應(yīng)用。

文中利用多項(xiàng)技術(shù), 研制了多個(gè)諧振點(diǎn)的縱振復(fù)合棒換能器, 通過對(duì)彎曲振動(dòng)耦合的研究, 解決了縱振復(fù)合棒換能器各部件之間的相位一致性, 使得縱振復(fù)合棒換能器的工作頻帶在多諧振點(diǎn)間連續(xù), 從而形成了多諧振寬帶聲學(xué)換能器; 采用新型壓電陶瓷材料, 并對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化, 大幅度提高了該類換能器的發(fā)射性能。文中研究的多諧振寬帶聲學(xué)換能器, 其工作帶寬達(dá)到了30 kHz, 發(fā)送電壓響應(yīng)大于140 dB, 理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致, 并已在工程項(xiàng)目上應(yīng)用。

1 多諧振寬帶聲學(xué)換能器工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

多諧振寬帶聲學(xué)換能器主要由匹配層、前蓋板、前壓電晶堆、中間質(zhì)量塊、后壓電晶堆、后蓋板、中空預(yù)應(yīng)力螺桿等組成, 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 寬帶聲學(xué)換能器多諧振產(chǎn)生機(jī)理

為了達(dá)到拓展聲學(xué)換能器帶寬及提高發(fā)送電壓響應(yīng)的目的, 應(yīng)用了匹配層、雙激、中間質(zhì)量塊開槽及彎曲振動(dòng)技術(shù), 獲得聲學(xué)換能器的多模振動(dòng)。匹配層換能器是在單模復(fù)合棒縱振換能器的輻射頭上增加一層匹配層, 通過聲阻抗耦合, 使得該換能器產(chǎn)生2個(gè)諧振峰來拓展頻帶寬度, 主要涉及到匹配層材料的聲速、密度及厚度等參量, 其中, 聲速取值越大, 點(diǎn)到帶寬越寬, 2個(gè)諧振峰之間的凹谷亦越深, 聲速大到一定程度時(shí), 帶寬將產(chǎn)生不連續(xù); 雙激勵(lì)換能器是通過2個(gè)諧振頻率的合理選擇來拓展換能器的帶寬, 在低頻時(shí), 前蓋板、前壓電晶堆和中間質(zhì)量塊共同構(gòu)成等效前蓋板, 高頻時(shí), 后質(zhì)量塊、后壓電晶堆和中間質(zhì)量塊共同構(gòu)成等效后質(zhì)量塊, 該類換能器的工作帶寬有限, 其發(fā)送電壓響應(yīng)也較低; 前蓋板彎曲振動(dòng)聲學(xué)換能器是通過調(diào)整輻射頭的大小, 使聲學(xué)換能器的諧振頻率和彎曲振動(dòng)頻率的間距在合適的區(qū)間內(nèi), 用于拓展該類換能器的頻帶寬度, 該類換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)可以做的很高, 但會(huì)受到布陣空間及工作深度的限制。

4種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于聲學(xué)換能器[1-2], 將產(chǎn)生更寬的帶寬, 適當(dāng)調(diào)整雙激勵(lì)換能器的電極位置, 在該換能器的輻射頭上灌注匹配層, 即在雙激勵(lì)的2個(gè)諧振峰之間產(chǎn)生第3個(gè)諧振峰, 同時(shí), 對(duì)應(yīng)的雙激勵(lì)換能器的第1階諧振頻率向低頻段移動(dòng), 高頻段諧振頻率基本保持不變, 在此基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整輻射頭的面積及厚度、匹配層的厚度、中間質(zhì)量塊開槽產(chǎn)生多個(gè)彎曲振動(dòng)模態(tài), 控制彎曲振動(dòng)模態(tài)與雙激勵(lì)換能器的高頻模態(tài)之間的間距, 優(yōu)化結(jié)構(gòu), 約束后質(zhì)量、后壓電晶堆與螺桿的相位, 達(dá)到再次拓展帶寬的目的。

2 多諧振寬帶聲學(xué)換能器有限元分析

為了提高該類換能器的聲學(xué)性能, 驗(yàn)證多項(xiàng)技術(shù)的有效性, 結(jié)合工程實(shí)際研究設(shè)計(jì)了多諧振寬帶聲學(xué)換能器。主要技術(shù)參數(shù)涉及到匹配層厚度、輻射頭尺寸、電極位置、中間質(zhì)量塊材料及尺寸、中間質(zhì)量塊環(huán)形開槽的深度、后質(zhì)量塊的材料及尺寸、透聲層材料及厚度、壓電陶瓷的厚度(與發(fā)送電壓響應(yīng)有關(guān))、前壓電晶堆和后壓電晶堆的片數(shù)及徑向尺寸等。在確定中間質(zhì)量塊開槽寬度和深度是2 mm, 且對(duì)后壓電晶堆、后質(zhì)量塊及預(yù)應(yīng)力螺桿三者之間進(jìn)行位移約束(使三者之間的相位基本一致)的條件下, 主要分析2個(gè)關(guān)鍵因素即匹配層厚度、及中間質(zhì)量塊的長(zhǎng)度對(duì)該類換能器聲學(xué)性能的影響。

2.1 多諧振寬帶聲學(xué)換能器模態(tài)分析

依據(jù)多諧振寬帶換能器的結(jié)構(gòu)尺寸, 建立了有限元模型如圖2所示。

主要計(jì)算了多諧振寬帶聲學(xué)換能器在空氣介質(zhì)中的前5階模態(tài)振型, 如圖3~圖7所示, 其中第1階模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率為16.107 kHz, 第2階模態(tài)振型對(duì)應(yīng)的頻率為22.239 kHz, 第3階模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率為29.979 kHz, 第4階模態(tài)振型對(duì)應(yīng)的頻率為35.239 kHz, 第5階模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率為41.181 kHz。其作用在于觀察多諧振寬帶聲學(xué)換能器的多個(gè)諧振頻率以及對(duì)應(yīng)的阻抗特性是否在所要求的頻帶范圍之內(nèi), 為水域介質(zhì)中該類換能器頻段分析提供參考。

2.2 發(fā)送電壓響應(yīng)與匹配層厚度的關(guān)系

在壓電晶堆、輻射頭、中間質(zhì)量塊和后質(zhì)量塊等參數(shù)不變的條件下, 通過改變灌注匹配層厚度, 計(jì)算多諧振寬帶聲學(xué)換能器的發(fā)送電壓響應(yīng), 從而總結(jié)其變化規(guī)律, 結(jié)果如圖8所示。

從圖8可看出, 隨著匹配層厚度的增加, 除第3階諧振頻率(雙激勵(lì)換能器的第2階諧振頻率)變化不明顯外, 其他4階諧振頻率都向低頻端移動(dòng), 尤其高頻段諧振頻率向低頻移動(dòng)更明顯; 隨著匹配層厚度的增加, 除第2階諧振頻率對(duì)應(yīng)的發(fā)送電壓增加外, 其他4階諧振頻率對(duì)應(yīng)的發(fā)送電壓響應(yīng)均減小, 尤其第3階諧振頻率對(duì)應(yīng)的發(fā)送電壓響應(yīng)減小明顯。匹配層厚度參數(shù)對(duì)于調(diào)整該類換能器的帶寬及帶內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)的平坦度具有重要作用。

2.3 發(fā)送電壓響應(yīng)與中間質(zhì)量塊長(zhǎng)度的關(guān)系

在多諧振寬帶聲學(xué)換能器其他尺寸及材料參數(shù)不變的條件下, 通過調(diào)整中間質(zhì)量塊的長(zhǎng)度, 研究該類換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)、帶內(nèi)起伏等發(fā)射性能的變化規(guī)律, 結(jié)果如圖9所示。

由圖9可看出, 隨著中間質(zhì)量塊的增加, 該類換能器對(duì)應(yīng)的5階諧振頻率均向高頻端移動(dòng); 發(fā)送電壓響應(yīng)在前3階諧振頻率處均下降, 但在彎曲振動(dòng)頻段升高; 帶內(nèi)起伏減小。該參數(shù)可用于調(diào)整聲學(xué)換能器的帶寬和發(fā)送電壓響應(yīng)在帶內(nèi)的起伏, 尤其是第2階諧振頻率對(duì)應(yīng)的發(fā)送電壓響應(yīng)的大小。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在空氣介質(zhì)和水域2種情況下對(duì)所研制的多諧振寬帶聲學(xué)換能器進(jìn)行了性能測(cè)試, 結(jié)果如下。

3.1 空氣介質(zhì)中多諧振寬帶聲學(xué)換能器性能測(cè)試

用4294阻抗分析儀在空氣介質(zhì)中對(duì)該換能器進(jìn)行了性能測(cè)試, 其結(jié)果如表1所示?？煽闯? 實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之間在低頻段相差較大, 在高頻段具有較好的一致性。

3.2 水域介質(zhì)中多諧振寬帶聲學(xué)換能器性能測(cè)試

3.2.1 諧振頻率測(cè)試

用4294阻抗分析儀在水域?qū)υ摀Q能器進(jìn)行了性能測(cè)試, 其結(jié)果如表2所示?？煽闯? 在低頻段, 實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值偏低, 并且與空氣介質(zhì)相比實(shí)測(cè)值變化很小, 但設(shè)計(jì)值變化較大, 逐漸與實(shí)測(cè)值靠近; 在高頻段兩者具有較好的一致性。

表1 空氣介質(zhì)中諧振頻率實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值比較

表2 水域中諧振頻率實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值比較

3.2.2 發(fā)送電壓響應(yīng)測(cè)試

使用水聲自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)多諧振寬帶聲學(xué)換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試, 其結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出, 該聲學(xué)換能器在12 kHz~ 42 kHz頻段內(nèi)的發(fā)送電壓響應(yīng)為141.5 dB~146.8 dB, 起伏5.3 dB; 設(shè)計(jì)值為140 dB~146.8 dB, 起伏6.8 dB; 將設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值相比, 設(shè)計(jì)值的頻率偏高, 但發(fā)送電壓響應(yīng)具有較好的一致性。

3.2.3 發(fā)射指向性測(cè)試

使用水聲自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)多諧振寬帶聲學(xué)換能器在3個(gè)頻率點(diǎn)(=14 kHz,=25 kHz,=40 kHz)上的發(fā)射指向性進(jìn)行了測(cè)試, 其結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出, 所研制的多諧振寬帶聲學(xué)換能器在頻率=14 kHz時(shí)對(duì)應(yīng)的–3dB束寬為76°, 在頻率=25 kHz時(shí)對(duì)應(yīng)的–3dB束寬為73°, 在頻率=40 kHz時(shí)對(duì)應(yīng)的–3dB束寬為38°。可根據(jù)具體要求通過調(diào)整聲學(xué)換能器在殼體中的位置控制–3 dB束寬[3]。

4 結(jié)束語

文中對(duì)匹配層、雙激勵(lì)、彎曲振動(dòng)等多種拓展復(fù)合棒聲學(xué)換能器的技術(shù)進(jìn)行了綜合研究, 在對(duì)后壓電晶堆、后質(zhì)量塊與預(yù)應(yīng)力螺桿三者進(jìn)行位移約束(使三者之間的相位基本一致)的條件下, 采用有限元方法設(shè)計(jì)計(jì)算了頻帶12 kHz~42 kHz的發(fā)射型多諧振寬帶聲學(xué)換能器, 并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。從理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果可看出, 所研制的聲學(xué)換能器帶寬可達(dá)到30 kHz以上, 發(fā)送電壓頻率響應(yīng)大于140 dB, 帶內(nèi)起伏小于6 dB; 設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)結(jié)果相比, 其低頻段諧振頻率高2 kHz左右, 發(fā)射性能與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。針對(duì)該多諧振聲學(xué)換能器, 重點(diǎn)計(jì)算了匹配層厚度、中間質(zhì)量塊長(zhǎng)度對(duì)其發(fā)射性能及頻段的影響, 選擇合適的匹配層厚度、中間質(zhì)量塊長(zhǎng)度、壓電陶瓷片尺寸等, 可獲得更高的發(fā)送電壓響應(yīng)和大的頻帶寬度, 并在該頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)較為平坦的發(fā)送電壓響應(yīng)。另外可采取網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧和匹配技術(shù)使該類換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)在帶內(nèi)的起伏可降到更小, 來實(shí)現(xiàn)多諧振寬帶大功率發(fā)射[9]。針對(duì)該類換能器的發(fā)射指向性問題, 可根據(jù)實(shí)際需要, 通過控制聲學(xué)換能器在殼體中的位置做適當(dāng)調(diào)整。該項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用可對(duì)拓展聲吶基陣的工作帶寬、提高整體發(fā)射性能[10]提供參考。

[1] 田豐華, 何文峰, 張俊. 匹配層水聲寬帶換能器性能分析[J]. 魚雷技術(shù), 2012, 20(6): 428-431. Tian Feng-hua, He Wen-feng, Zhang Jun. Performance Analysis on Broadband Transducer with Matching Layer[J]. Torpedo Technology, 2012, 20(6): 428-431

[2] 周利生, 胡青. 水聲發(fā)射換能器技術(shù)研究綜述[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(7): 932-937. Zhou Li-sheng, Hu Qing. Summarization of Underwater Acoustic Projector Technologies[J]. Journal of Engineering University, 2010, 31(7): 932-937.

[3] 童暉, 周益明, 王佳麟, 等. 高頻寬帶換能器研究[J]. 聲學(xué)技術(shù), 2013, 30(6): 475-481. Tong Hui, Zhou Yi-ming, Wang Jia-lin, et al. Study of High Frequency Broadband Transducer[J]. Technical Acoustics, 2013, 30(6): 475-481.

[4] 李汶潔, 谷傳欣, 仲超, 等. 層疊復(fù)合材料寬帶換能器設(shè)計(jì)[J]. 電子元件與材料, 2015, 34(10): 68-71. Li Wen-jie, Gu Chuan-xin, Zhong Chao, et al. Design of Broadband Transducer with Composite Pile[J]. Electronic Components and Materials, 2015, 34(10): 68-71.

[5] 李志強(qiáng), 張運(yùn)強(qiáng), 陳元民, 等. 雙激勵(lì)縱彎耦合寬帶復(fù)合棒水聲換能器[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2013, 32(6): 473-479. Li Zhi-qiang, Zhang Yun-qiang, Chen Yuan-min, et al. A Longitudinal-flexural Coupling Broadband Tonpilz Un- derwater Transducer with Double Excitation[J]. Journal of Applied Acoustics, 2013, 32(6): 473-479.

[6] 張文波, 王明洲, 郝保安, 雙激勵(lì)寬帶水聲換能器理論研究[J]. 魚雷技術(shù), 2007, 15(2): 34-37.Zhang Wen-bo, Wang Ming-zhou, Hao Bao-an. Theoretical Study on Broadband Underwater Transducer with Double Resonant Mode[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(2): 34-37.

[7] 林書玉. 雙激勵(lì)源壓電陶瓷超聲換能器的共振頻率特性分析[J]. 電子學(xué)報(bào), 2009, 32(7): 472-478. Lin Shu-yu. Analysis on the Resonance Frequency of Sandwich Ultrasonic Transducers with Two Sets of Piezoelectric Ceramic Elements[J]. Acta Electronica Cinica, 2009, 32(7): 472-478.

[8] 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. Yu Nan-hui, Fan Ji-jun, JaeHwan Kim, et al. Acoustics Capability Analysis of Piezoelectricity Transducer[J]. Acoustics Technology, 2009, 28(2): 191-195.

[9] Rajapan D. Performance of a Low-frequency, Multi-re- sonant Broadband Tonpilz Transducer[J]. Acoust Soc Am, 2002, 111(4): 1692-1694.

[10] 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, 2007, 15(3): 51-54. Ping Zi-hong, Laboratory Study of Array Mutual Radiation and Dominator[J]. Acoustics and Electronic Engineering, 2007, 15(3): 51-54.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Design and Performance Analysis of a Multi-resonant Broadband Tonpilz Acoustic Transducer

TIAN Feng-huaSONG Zhe

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

To broaden the working bandwidth of an acoustic transducer, improve its transmitting performance and reduce transmitting fluctuation, we designed a novel multi-resonant broadband Tonpilz acoustic transducer by using comprehensively the matching layer, the double exciting, the bending vibration, and slotting on the middle mass block, etc., employed the finite element method to conduct modal analysis of the transducer, and investigated the influences of the thickness of the matching layer and the size of the middle mass block on the performance of the transducer. Test verified that the working bandwidth of the transducer was 12 kHz ~ 42 kHz, the transmission voltage response(TVR) was greater than 140 dB, and the transmission voltage fluctuation in the frequency band was less than 6 dB. Calculation results were in good agreement with the test ones.

acoustic transducer; multi-resonant broadband; modal analysis; finite element method(FEM)

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.003

TJ630.34; TB556

A

1673-1948(2016)06-0412-05

2016-04-19;

2016-10-28.

田豐華(1981-), 男, 碩士, 高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)轸~雷自導(dǎo)系統(tǒng).