許欣然，周利生，鄭震宇，解廣亞

（杭州應用聲學研究所 聲納技術重點實驗室，杭州 310023）

隨著減振降噪技術、復合消聲瓦技術的進步，水下目標聲隱身性能不斷提高，主動聲納技術逐步成為實現(xiàn)水下遠距離探測的重要發(fā)展方向。一方面海水的聲吸收系數(shù)隨頻率上升而急劇增加，進而海水對聲波的衰減損失也隨之增加；另一方面，盡管先進的消聲瓦技術有效降低了中高頻段的目標強度，但對于低頻段而言效果并不明顯。因此，要在海洋中實現(xiàn)聲波遠距離傳播必須使用低頻信號，水聲換能器是產(chǎn)生聲波信號的重要設備。然而，水聲換能器的尺寸和重量一般隨著工作頻率降低而增加，對于平臺有限的安裝空間和載荷能力，低頻、大功率、小型化水聲換能器有著迫切的發(fā)展需求。

彎張換能器是一類利用驅動堆的縱向振動激勵殼體產(chǎn)生彎曲振動來輻射聲波的水聲換能器，根據(jù)殼體形式和激勵方式的不同一般可分為7類。由于殼體的彎曲模式對應了一階模態(tài)振型，彎張換能器具有工作頻率低、輸出聲功率大的優(yōu)勢。但是對于工作頻率極低或是安裝空間和重量限制十分苛刻的情況，彎張換能器的尺寸和重量仍然難以滿足實際使用要求。彎曲圓柱換能器，也可稱為開縫圓管換能器[1]是較彎張換能器更為小型化的一類低頻大功率發(fā)射換能器，其典型結構由開縫圓柱殼和內(nèi)部驅動部件構成。開縫一般沿圓柱殼母線方向延伸，降低了換能器振動結構的有效剛度，因而彎曲圓柱換能器尺寸更為緊湊，且在極低工作頻率下具有較好的輻射聲波的能力。

早在1957年，Harris[2]發(fā)明了彎曲圓柱換能器，隨后眾多學者對其驅動機理和結構參數(shù)進行了發(fā)展與改進。壓電式[3]和磁致伸縮式[4]是兩種主要的驅動方式，其中，基于壓電陶瓷的彎曲圓柱換能器在過去的數(shù)十年一直處于主導地位。根據(jù)振動時應力分布特性，這類換能器一般由眾多不同梯形截面的壓電陶瓷條鑲拼而成，中心處厚、邊緣處薄，且每個陶瓷條對應不同的中心軸。Brogan[5]等人在結構上引入了月牙形嵌入塊，從而可以使得各個陶瓷條采用相同的尺寸，降低了換能器的整體復雜度。Porzio[6]等人提出了采用超磁致伸縮材料Terfenol-D棒替代傳統(tǒng)壓電陶瓷鑲拼環(huán)作為驅動元件，在換能器開縫點和中心連線的正交方向上激勵柱殼產(chǎn)生彎曲振動。這不僅進一步降低了換能器復雜性和成本，而且低聲速的Terfenol-D更易于同低剛度的開縫殼體匹配，提高了換能器的有效耦合系數(shù)和發(fā)射效率。

和其它低頻大功率換能器一樣，彎曲圓柱換能器也需要對驅動元件施加一定的預應力，以滿足大功率工作要求。彎曲圓柱換能器的預應力要靠相對剛度較低的開縫柱殼來實現(xiàn)，施加預應力過小，不能滿足大功率使用要求；施加預應力過大，會導致開縫柱殼產(chǎn)生大變形，將伴隨嚴重的非線性現(xiàn)象。另一方面，為了滿足水下工作要求，一般采用上下端蓋對其進行密封。由于彎曲圓柱換能器殼體剛度較低，其振動特性容易受端蓋邊界條件的影響。因此，準確測量彎曲圓柱換能器在不同預應力條件和不同端蓋邊界條件下的振動參數(shù)，對分析彎曲圓柱換能器振動特性以及改善其聲輻射特性具有重要的參考價值和指導意義。

激光測振法一般基于激光多普勒原理實現(xiàn)對物理位移、速度以及加速度等物理量的測量，具有測量精度高、動態(tài)響應快、測量范圍大、非接觸、抗電磁干擾強等優(yōu)勢，因而適用于換能器振動特性的測試與分析[7-9]。本文利用激光測振儀對彎曲圓柱換能器在不同預應力條件和不同端蓋邊界條件下的振動位移進行測量，通過研究換能器振動特性，提出了換能器應力性能和去耦結構的快速優(yōu)化方法，可為其它水聲換能器的振動特性研究提供借鑒。

1 激光測振系統(tǒng)

基于激光技術的非接觸式測振方法具有精度高、效率高、線性度好以及干擾小的優(yōu)勢，特別適用于換能器振動特性研究。激光測振的常用方法包括全息干涉法、散斑法、激光三角法以及激光多普勒法等。目前商用的激光測振儀大多基于激光多普勒測振技術（Laser Doppler Velocimetry），其基本原理為，激光器發(fā)射波長為λ的一束激光照射到待測振動物表面，反射光將產(chǎn)生多普勒頻移fD，該頻移量與物體表面的振動速度v成正比

測量多普勒頻移量，經(jīng)過信號處理系統(tǒng)即可得到物體表面振動的幅值、方向以及頻率等信息。

本文用于研究彎曲圓柱換能器振動特性的激光測振系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。綜合處理系統(tǒng)產(chǎn)生激勵信號通過功率放大器驅動換能器產(chǎn)生振動，掃描式激光頭產(chǎn)生的激光經(jīng)換能器輻射面反射后的光波再次進入激光頭，在綜合處理系統(tǒng)的調(diào)度下進行數(shù)據(jù)解碼和信號處理，得到換能器表面的振速信號。利用該激光測振系統(tǒng)，可以對彎曲圓柱換能器輻射面振動進行快速多點精確測量，為研究不同力學邊界條件、不同電學載荷條件下?lián)Q能器的振動特性提供了實驗條件。

圖1 激光測振系統(tǒng)基本原理框圖

2 彎曲圓柱換能器振動特性研究

2.1 彎曲圓柱換能器工作機理

本文研究的彎曲圓柱換能器的基本結構如圖2所示，主要由開縫圓柱殼、棱柱支撐條、楔形支撐條、磁致伸縮棒、線圈等部分組成。其工作機理是以多個Terfenol-D或Galfenol等超磁致伸縮棒和導磁棱柱支撐條形成多層開口驅動環(huán)，磁致伸縮棒在外部線圈中交變電流引起的交變磁場作用下產(chǎn)生縱向振動，驅動開縫圓柱殼體產(chǎn)生彎曲振動。

圖2 彎曲圓柱換能器結構示意圖

2.2 預應力分析

彎曲圓柱換能器的預應力結構采用楔形支撐條向殼體抽緊的方式，利用殼體自有剛度，對磁致伸縮驅動棒施加預應力。楔形支撐條抽緊程度不同，開縫圓柱殼的縫寬不同，施加在磁致伸縮驅動棒兩端的預應力也不相同。這種預應力施加過程屬于非線性接觸問題，而且與多種材料的機械性能有關，因此很難利用數(shù)值仿真手段準確模擬真實的物理過程。

實驗中先利用激光測振系統(tǒng)的多點掃頻振速測量獲得換能器振動部件的振動模態(tài)與振型分布，掌握換能器主要工作頻率，然后再對換能器進行單點振動幅頻特性測試，實現(xiàn)最佳預應力工況的快速分析與優(yōu)化。圖3是利用激光測振系統(tǒng)對換能器振動部件進行振速測試的照片，為避免端面接觸對振動殼體的邊界產(chǎn)生約束，在懸掛條件下對換能器振動特性進行測量。

圖3 換能器振動部件的激光測振照片

在多點掃頻振速測量中，首先需要對待測換能器振動表面進行網(wǎng)格劃分，然后系統(tǒng)產(chǎn)生100 Hz～5 kHz的掃頻信號通過功放驅動換能器產(chǎn)生掃頻振動，掃描式激光頭拾取各點振動頻譜分布，進而得到換能器輻射面的振動模態(tài)。圖4是換能器振動部件振速頻響曲線，由圖中可看到存在2個主要的振動模態(tài)，其諧振頻率分別為308 Hz和878 Hz。換能器殼體開縫處的振型分布如圖5所示。

圖4 換能器振動部件振速頻響曲線

圖5 換能器振動部件1階2階振型分布。

盡管對于1階彎曲模態(tài)（308 Hz）和2階彎曲模態(tài)（878 Hz）開縫殼體兩側振動均為同相的，但2階彎曲模態(tài)在圓弧上存在節(jié)點，即單側圓弧存在反相振動，因而輻射效率不高。殼體1階彎曲模態(tài)振動能量最強，整個殼體圓周均為同相振動，是我們主要利用的模態(tài)。因此，換能器預應力條件優(yōu)化重點考慮輻射效率高的1階彎曲模態(tài)，即頻率為308 Hz時換能器的振動特性。

考慮到彎曲圓柱換能器最大振幅點處于殼體開縫區(qū)域，這里將周向距離殼體開縫邊沿5 mm、軸向中心點作為振速測量參考點，以評估彎曲圓柱換能器在不同預應力條件下的振動特性。

測試時，由綜合處理系統(tǒng)產(chǎn)生頻率為308 Hz的脈沖信號通過功率放大器驅動彎曲圓柱換能器振動部件（不含端蓋等水密結構）產(chǎn)生振動。圖6給出了測量得到的參考點振速隨激勵電流的變化曲線，不同殼體開縫寬度表征了不同的預應力工況條件。

圖6 不同預應力工況下參考點振速隨電流變化曲線

這里分別測試了縫寬尺寸為1.8 mm、1.94 mm、2.18 mm和2.31 mm時彎曲圓柱換能器參考點的振速。從參考點振速與激勵電流的線性度來看，縫寬為2.18 mm時最佳，1.8 mm次之；而從發(fā)送電流響應來看，縫寬2.18 mm時曲線斜率更大，表明發(fā)射效率更高。圖7分別為各工況下最大激勵電流對應的參考點振速波形，當縫寬為1.8 mm和2.18 mm時，發(fā)射波形較為規(guī)整，而縫寬為1.94 mm和2.31 mm時，發(fā)射波形已經(jīng)產(chǎn)生明顯的畸變，這將嚴重影響發(fā)射信號質量。綜合看來，當縫寬為2.18 mm時，換能器不僅輸出線性度最好、輸出波形穩(wěn)定，而且輸出效率最高。這表明，在該預應力工況下，換能器能夠產(chǎn)生穩(wěn)定高效的振動輸出，滿足了大功率發(fā)射的要求。

圖7 不同預應力工況下參考點振速波形圖

2.3 端蓋邊界條件影響

彎曲圓柱換能器一般需要配備上下端蓋以適應水下工作對水密性能的要求。端蓋不僅增加了換能器振動系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，而且會改變振動殼體相對自由的邊界條件，會影響整個系統(tǒng)的振動模態(tài)特性。

圖8 換能器振速頻響曲線(端蓋與殼體剛性接觸)

圖9 換能器振型分布(端蓋與殼體剛性接觸)

這里首先對加裝了上下端蓋的彎曲圓柱換能器的振動模態(tài)進行了測試，這時端蓋與殼體間為剛性接觸。測試得到的振速頻響曲線如圖8所示，圖中兩個諧振峰569 Hz和1 115 Hz對應的模態(tài)振型分布如圖9所示。其中第一個是殼體的擺動模態(tài)，開縫處兩側殼體反相振動；第二個為殼體2階彎曲模態(tài)，在殼體圓周上也存在反相振動。然而，輻射效率最高的的1階彎曲模態(tài)卻在整個測試頻帶內(nèi)消失了。這表明上下端蓋對彎曲殼體影響十分嚴重，這主要由于開縫殼體的等效剛度非常低，端蓋對殼體邊界的約束導致其等效剛度產(chǎn)生較大變化，抑制了1階彎曲模態(tài)能量成分。

為削弱端蓋對彎曲殼體振動特性的不利影響，在端蓋與殼體接觸面上增加一層去耦層，避免殼體與端蓋的直接接觸。該去耦層由高阻尼特性的軟木橡膠構成，其形狀為內(nèi)外徑差小于殼體壁厚的圓環(huán)結構。它不僅減小了殼體端面上的約束面積，而且其低剛度特性也大大降低了殼體對換能器振動系統(tǒng)總體剛度的影響。再次進行測試得到的振速頻響曲線和模態(tài)振型分布如圖10和圖11所示。

圖10 換能器振速頻響曲線(端蓋與殼體去耦接觸)

圖11 換能器振型分布(端蓋與殼體去耦接觸)

第一個模態(tài)對應諧振頻率316 Hz，是殼體的1階彎曲模態(tài)，開縫處兩側殼體同相振動；第二個模態(tài)對應諧振頻率536 Hz，是殼體的擺動模態(tài)，開縫處兩側殼體反相振動；第三個模態(tài)對應諧振頻率909 Hz，為殼體2階彎曲模態(tài)，開縫處兩側殼體同相振動，在殼體圓周上存在反相振動。其中第一個和第三個模態(tài)為能量集中模態(tài)，第一個模態(tài)能量最大。和端蓋剛性接觸的工況相比，換能器振動狀態(tài)大大改善，主要用于輻射聲波的1階彎曲模態(tài)仍然為能量最大模態(tài)。和殼體端面完全自由的工況相比，1階彎曲模態(tài)對應的諧振頻率從308 Hz上升到316 Hz。端蓋對殼體彎曲振動的影響一方面是增加等效剛度，這將導致諧振頻率上升；另一方面又對了殼體振動產(chǎn)生附加質量，這將導致諧振頻率下降。兩方面影響相互綜合，最終導致諧振頻率略有上升。

實驗結果表明，上下端蓋與殼體接觸面的邊界條件對殼體彎曲振動影響非常大，不僅能夠影響模態(tài)能量的強弱分布，甚至會導致主要利用的基頻彎曲模態(tài)被完全抑制。因此，在彎曲圓柱換能器的水密結構的設計中，要合理設計端蓋和殼體之間的去耦方式，降低這種邊界約束效應的不利影響。同時，激光測振系統(tǒng)為換能器去耦結構設計的快速效能評估提供了有效手段。

3 結語

本文利用激光測振法對彎曲圓柱換能器的振動特性開展了實驗研究，測量分析了換能器預應力條件和端蓋邊界條件對其振動特性的影響，得到以下結論：

（1）不同預應力條件會影響彎曲圓柱換能器振動的線性度和效率，就本文所研制的換能器樣機而言，當縫寬為2.18 mm所對應的預應力條件能夠保證其產(chǎn)生穩(wěn)定高效的振動輸出，滿足大功率發(fā)射要求。

（2）端蓋邊界條件對彎曲圓柱換能器的諧振頻率乃至振動模態(tài)都有很大影響，在端蓋和殼體之間采用去耦結構能夠有效抑制這種不利影響。

（3）激光測振法具有測量精度高、動態(tài)響應快、測量范圍大、非接觸、抗電磁干擾強等優(yōu)勢，將其應用于換能器振動特性測量分析，能夠實現(xiàn)對換能器預應力性能和去耦結構設計的快速驗證與評估。