胡負(fù)稷, 張喜順, 張文波, 王明洲, 淦華東

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兩種多諧振寬帶縱振換能器設(shè)計(jì)

胡負(fù)稷1, 2, 張喜順3, 張文波1, 王明洲1, 2, 淦華東1, 2

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710077; 3. 海軍裝備研究院, 北京, 100161)

縱振換能器以結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于魚雷自導(dǎo)、水聲對抗等領(lǐng)域。為研究多諧振縱振換能器的寬帶特性, 文中在設(shè)計(jì)制作一種雙激勵寬帶縱振換能器的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)制作了一種三激勵寬帶縱振換能器, 并對2種換能器樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。結(jié)果表明, 換能器實(shí)測性能和仿真結(jié)果吻合, 三激勵寬帶換能器比雙激勵寬帶換能器在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)更容易控制, 三激勵寬帶換能器比雙激勵寬帶換能器在控制凹谷方面也更具優(yōu)勢, 可為多諧振寬帶縱振換能器的研究提供參考。

魚雷; 寬帶縱振換能器; 雙激勵; 三激勵

0 引言

隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展, 越來越多的信息需要通過聲波傳輸。換能器的工作帶寬決定了其所能傳輸信息量的大小。寬帶換能器因?yàn)榫哂卸囝l段工作、能傳輸更多信息、信號更準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn), 已在魚雷多頻制導(dǎo)、高分辨率合成孔徑聲吶、聲誘餌和干擾器研制以及超聲醫(yī)療等領(lǐng)域有了越來越多的應(yīng)用[1]。

多諧振寬帶縱振換能器是一種常用的寬帶換能器, 其主要原理是通過產(chǎn)生多個振動模態(tài)并使其有效耦合以達(dá)到拓寬換能器工作帶寬的目的[2-4]。目前, 國內(nèi)外關(guān)于多諧振寬帶縱振換能器的研究主要集中在雙激勵、混合激勵及加匹配層等方法[1-2], 這些方法往往能獲得較好的寬帶效果, 但卻存在發(fā)送電壓響應(yīng)低、響應(yīng)起伏大、帶寬不夠?qū)挼热秉c(diǎn)。針對這些問題, 文中對雙激勵和三激勵寬帶縱振換能器進(jìn)行研究, 以期得到更寬的帶寬、更小的響應(yīng)起伏, 其中三激勵寬帶縱振換能器在國內(nèi)外的研究尚不多見。

1 多諧振寬帶縱振換能器設(shè)計(jì)

縱振換能器又稱為復(fù)合棒換能器, 主要結(jié)構(gòu)包括蓋板、質(zhì)量塊和晶堆等, 是一種廣泛使用的換能器。多諧振寬帶縱振換能器也多采用此結(jié)構(gòu)。

在換能器設(shè)計(jì)之初, 通常采用等效電路分析方法, 根據(jù)換能器整體的等效電路, 由設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)推導(dǎo)出換能器的各部分尺寸[5-7]。文中在設(shè)計(jì)三激勵換能器之前先設(shè)計(jì)一種雙激勵換能器, 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三激勵換能器[8]。

1.1 雙激勵寬帶換能器設(shè)計(jì)

根據(jù)等效電路法, 雙激勵換能器設(shè)計(jì)為前晶堆包含4片PZT-4壓電陶瓷圓片, 后晶堆包含2片PZT-4壓電陶瓷圓片, 中間質(zhì)量塊和后質(zhì)量塊長度比為2︰5。

通過等效電路設(shè)計(jì)計(jì)算換能器的結(jié)構(gòu)尺寸后, 還需對換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最常用的方法是在只改變某一結(jié)構(gòu)尺寸或材料參數(shù)的條件下, 對換能器進(jìn)行多次仿真性能對比, 總結(jié)各結(jié)構(gòu)尺寸或材料參數(shù)對換能器性能指標(biāo)的影響規(guī)律, 進(jìn)而得到優(yōu)化的換能器性能。文中研究換能器帶寬性能, 這里的帶寬主要指換能器發(fā)送電壓響應(yīng)(transmitting voltage response, TVR)的帶寬, 仿真分析所用的軟件為ANSYS, 圖1為雙激勵換能器的有限元模型[8-9]。

通過有限元仿真可得換能器的振動模態(tài)矢量圖, 圖2~圖4為雙激勵換能器的前3階振動模態(tài)位移矢量圖。從圖中可知, 雙激勵換能器前3階振動模態(tài)對應(yīng)的諧振頻率分別為24.3 kHz、46.3 kHz和52.5 kHz; 前2階振動模態(tài)以縱向振動為主, 第2階振動模態(tài)包含一定程度的前蓋板彎曲振動, 第3階振動模態(tài)包含較強(qiáng)的前蓋板彎曲振動。

圖1 雙激勵換能器的有限元模型

圖2 雙激勵換能器第1階振動模態(tài)位移矢量圖

圖3 雙激勵換能器第2階振動模態(tài)位移矢量圖

圖4 雙激勵換能器第3階振動模態(tài)位移矢量圖

圖5 雙激勵換能器中間質(zhì)量塊厚度h1的變化對發(fā)送電壓響應(yīng)的影響

對于換能器各階諧振頻率均隨質(zhì)量塊厚度增加而降低的現(xiàn)象, 可以用彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)來解釋。換能器最終都可以等效為一個或多個彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng), 而彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)的諧振頻率[10]

式中:為諧振頻率;為剛度系數(shù);為質(zhì)量。

當(dāng)質(zhì)量塊厚度增加時(shí), 質(zhì)量增加, 從而導(dǎo)致諧振頻率減小。

1.2 三激勵寬帶換能器設(shè)計(jì)

對于雙激勵換能器, 在其前晶堆中間插入一個質(zhì)量塊即可使換能器出現(xiàn)3個晶堆, 即為一個前、中、后晶堆比為1︰1︰1的三激勵換能器。

圖6 三激勵換能器新插入質(zhì)量塊厚度h2變化對TVR影響

和圖2對比可以發(fā)現(xiàn), 三激勵換能器在調(diào)整質(zhì)量塊厚度時(shí), TVR頻響曲線中各諧振峰起伏的變化比雙激勵換能器要小, 后2階諧振峰的變化尤為明顯。這說明三激勵換能器對各結(jié)構(gòu)部分參數(shù)變化的敏感度小于雙激勵換能器, 在優(yōu)化設(shè)計(jì)換能器時(shí)更容易調(diào)整各結(jié)構(gòu)部分使換能器得到最優(yōu)的性能。對換能器其他結(jié)構(gòu)部分也可采用類似分析方法, 綜合各部分的優(yōu)化規(guī)律及其他因素, 設(shè)計(jì)了一種雙激勵換能器和一種三激勵寬帶換能器, 圖7為2款換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)頻響曲線。

圖7 最終優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙激勵換能器和三激勵換能器TVR頻響曲線

從圖7中可以看出, 2種換能器的可用帶寬均在20~50 kHz左右, 起伏在4 dB以內(nèi); 三激勵換能器各諧振峰相互更靠近些, 這可以使多個模態(tài)之間達(dá)到更好地耦合。

2 實(shí)驗(yàn)測量

根據(jù)設(shè)計(jì)的換能器規(guī)格尺寸分別加工制作雙激勵和三激勵換能器, 圖8為2種換能器灌封后的實(shí)物樣機(jī)。對2種換能器發(fā)送電壓響應(yīng)的測試結(jié)果見圖9。從圖9可知, 雙激勵換能器和三激勵換能器在20~45 kHz范圍內(nèi)起伏較小, 可用工作帶寬達(dá)到25 kHz, 帶內(nèi)起伏不超過6 dB, 最低TVR超過131 dB, 實(shí)驗(yàn)測得的TVR頻響曲線和仿真設(shè)計(jì)的TVR頻響曲線是相符的。但2種換能器在45~50 kHz頻段內(nèi)均出現(xiàn)了較深的凹谷, 說明第3階諧振點(diǎn)沒有和低階諧振點(diǎn)有效耦合。

圖8 換能器實(shí)物樣機(jī)

圖9 實(shí)驗(yàn)測得的三激勵換能器和雙激勵換能器TVR頻響曲線

還可以發(fā)現(xiàn)三激勵換能器的凹谷要比雙激勵換能器的凹谷要淺很多, 這說明三激勵換能器在TVR起伏控制方面更具優(yōu)勢, 如果要實(shí)現(xiàn)第3諧振點(diǎn)和低階諧振點(diǎn)的有效耦合, 應(yīng)繼續(xù)對三激勵換能器的結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步研究是一種選擇。

3 結(jié)束語

文中對多激勵寬帶換能器質(zhì)量塊厚度變化對TVR的影響進(jìn)行了仿真分析和理論分析, 優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款雙激勵寬帶換能器和一款三激勵寬帶換能器, 根據(jù)設(shè)計(jì)加工制作了雙激勵換能器和三激勵換能器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量, 最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了說明和分析。

仿真結(jié)果表明, 質(zhì)量塊厚度的增加能引起各階諧振頻率的降低, 并引起第1階諧振頻率對應(yīng)的響應(yīng)帶寬變窄; 三激勵換能器對各結(jié)構(gòu)參數(shù)的不敏感, 使得三激勵換能器在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)比雙激勵換能器更具優(yōu)勢。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 雙激勵換能器和三激勵換能器在20~45 kHz頻段內(nèi)最低TVR達(dá)到132 dB, 帶內(nèi)起伏小于6 dB, 三激勵換能器比雙激勵換能器在控制45~50 kHz之間的凹谷時(shí)更有優(yōu)勢。

如何控制換能器TVR曲線的凹谷是有待進(jìn)一步研究的問題, 進(jìn)一步調(diào)整三激勵換能器各參數(shù)有望實(shí)現(xiàn)這一目的。文中的研究可為多諧振寬帶換能器的研究提供參考。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Design of Two Kinds of Multi-rosonant Broadband Longitudinal Vibration Transducer

HU Fu-ji1, 2, ZHANG Xi-shun3, ZHANG Wen-bo1, WANG Ming-zhou1, 2, GAN Hua-dong1,2

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China, 3. Naval Armament Academy, Beijing 100161, China)

The longitudinal vibration transducer has been widely used in homing torpedo and undersea acoustic countermeasure because of its simplicity and stability. To reveal the performance of the multi-resonant broadband longitudinal vibration transducer, double- and triple-excitation broadband longitudinal vibration transducer are designed and fabricated. Both transducers are measured experimentally, and the results show that the measurement agrees well with simulation and compared with the double-excitation broadband longitudinal vibration transducer, the triple-excitation broadband longitudinal vibration transducer behaves in optimization and transmitting voltage response valley control. This study may provide a reference for the research of multi-resonant broadband longitudinal vibration transducers.

torpedo; broadband longitudinal vibration transducer; double-excitation; triple-excitation

胡負(fù)稷, 張喜順, 張文波, 等. 兩種多諧振寬帶縱振換能器設(shè)計(jì)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(4): 377-380.

TJ630.34; TB565.1

A

2096-3920(2017)04-0377-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.012

2017-02-14;

2017-05-03.

胡負(fù)稷(1990-), 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗晸Q能器與聲系統(tǒng)技術(shù).