周瑜 ，涂其捷 ，楊榮耀 ，唐建生

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壓電水聲換能器寬帶匹配特性研究

周瑜1,3，涂其捷1，楊榮耀1，唐建生2

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015；2. 水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3. 哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 100051)

采用等效電路變換和多物理場有限元仿真計(jì)算進(jìn)行壓電水聲換能器寬帶匹配特性研究，得出不同匹配電路下的換能器電聲性能的變化規(guī)律，合理選擇電感電容值和串并聯(lián)方式進(jìn)行調(diào)諧匹配實(shí)現(xiàn)雙峰諧振，一方面提高換能器的工作帶寬，另一方面提高工作頻率范圍內(nèi)的發(fā)送電壓響應(yīng)值并減小工作頻帶內(nèi)響應(yīng)值的起伏，依照仿真數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)制作了一款球形換能器，采用串聯(lián)電感進(jìn)行調(diào)諧匹配，并測試調(diào)諧匹配前后的水中電聲性能，對(duì)比匹配前后換能器性能的差異。結(jié)果表明，測試結(jié)果和仿真計(jì)算吻合，運(yùn)用多物理場仿真計(jì)算手段對(duì)于預(yù)測分析水聲換能器電聲性能具有較好的指導(dǎo)意義。

寬帶匹配；多物理場；壓電水聲換能器

0 引言

寬帶水聲換能器在水聲應(yīng)用中具有重要的意義，尤其是在水聲通信中，寬帶換能器不局限于單頻工作，還可以線性調(diào)頻工作，提高信號(hào)的傳輸速率、提高通信的可靠性和保密性、降低誤碼率。通常利用多模態(tài)耦合、匹配層材料、混合激勵(lì)、電學(xué)匹配等技術(shù)提高換能器的工作帶寬。電學(xué)匹配技術(shù)主要是利用電感、電容組成的變阻調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)，一方面實(shí)現(xiàn)換能器與發(fā)射機(jī)的阻抗匹配，保證換能器達(dá)到最佳的功率輸出；另一方面實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，使換能器在工作頻率點(diǎn)上接近純阻狀態(tài)，減少無功分量，提高電源的效率，拓展工作帶寬[1-2 ]。

本文利用等效電路和多物理場有限元仿真分析方法，對(duì)幾種常見的壓電換能器匹配電路進(jìn)行研究，推導(dǎo)出換能器匹配后的等效阻抗，給出匹配參數(shù)的計(jì)算公式，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用所得的等效公式可以精確地算出最佳匹配參數(shù)，從而有效地提高換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，提高工作帶寬。

1 匹配電路的理論模型

通常情況下，壓電水聲換能器在諧振頻率附近工作時(shí)可以等效成一個(gè)LC電路，如圖1所示。圖中為靜態(tài)電容，為動(dòng)態(tài)電阻，為動(dòng)態(tài)電感，為動(dòng)態(tài)電容，則換能器兩端的阻抗為

式(1)中，R為換能器兩端的電阻，X為換能器兩端的電抗。在機(jī)械諧振時(shí)，電抗為0，此時(shí)，諧振頻率，換能器等效成一個(gè)靜態(tài)電容和機(jī)械電阻的并聯(lián)。通過調(diào)諧匹配電路，一方面減小帶來的容抗分量的影響；另一方面獲得雙峰諧振。合理地調(diào)節(jié)匹配電路參數(shù)可以拓展換能器的工作帶寬 [3-6 ]。

圖2 并聯(lián)電感匹配等效電路

為了進(jìn)一步減小有功分量，可以在串聯(lián)電感調(diào)諧的基礎(chǔ)上并聯(lián)一電容，如圖4所示，諧振時(shí)系統(tǒng)的阻抗為

圖3 串聯(lián)電感匹配等效電路

其中，?；芈分杏泄Ψ至縍進(jìn)一步減少，；回路中匹配的串聯(lián)電感為。輸入回路的電品質(zhì)因子為定值，可以求解出串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的大小。通過改變和，可以實(shí)現(xiàn)所需要的匹配效果。

回路中有功分量，匹配電感，回路的電品質(zhì)因子得到了改善。

2 壓電-結(jié)構(gòu)-聲多物理場耦合仿真分析

利用COMSOL多物理場有限元仿真軟件，實(shí)現(xiàn)壓電水聲換能器的電學(xué)、聲學(xué)等性能預(yù)測分析。本文以一個(gè)徑向極化的壓電陶瓷球作為仿真實(shí)例，首先根據(jù)球換能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立一個(gè)軸對(duì)稱的準(zhǔn)物理模型，如圖6(a)所示，其中忽略粘接層、支撐結(jié)構(gòu)、去耦結(jié)構(gòu)件、電纜。其次進(jìn)行物理場屬性設(shè)置，水域、透聲橡膠是壓力聲學(xué)物理場，賦予材料密度、聲速參數(shù)；壓電陶瓷是固體力學(xué)物理場，賦予材料彈性矩陣、壓電矩陣、介電常數(shù)矩陣、密度等參數(shù)，由于壓電陶瓷材料屬于各向異性，徑向?yàn)闃O化方向，因此需要指定材料坐標(biāo)系，使其與極化方向一致；指定壓電陶瓷為靜電物理場。接著進(jìn)行條件設(shè)置，包括遠(yuǎn)場計(jì)算、球面波輻射、聲-結(jié)構(gòu)耦合、壓電效應(yīng)、接地、終端、電路等。在此基礎(chǔ)上對(duì)準(zhǔn)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行求解。求解之后通過后處理可以得到換能器的性能參數(shù)曲線，包括電導(dǎo)納、發(fā)送電壓響應(yīng)和接收靈敏度。

圖6 球換能器物理模型和加電方式

圖7 水中電導(dǎo)納曲線

圖8 水中發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

圖9 水中接收靈敏度響應(yīng)曲線

3 寬帶匹配特性研究

結(jié)合匹配電路理論模型和多物理場有限元仿真分析，研究不同匹配電路對(duì)換能器特性的影響。

3.1 并聯(lián)電感匹配

圖10 水中并聯(lián)電感LP調(diào)諧導(dǎo)納曲線

3.2 串聯(lián)電感匹配

圖11 水中串聯(lián)電感LS調(diào)諧阻抗曲線

表1 LS對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖12 水中串聯(lián)電感LS調(diào)諧發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

3.3 電容電感匹配

串聯(lián)電感匹配雖然能得到兩個(gè)諧振峰，但是具有一定的局限性，兩個(gè)諧振峰之間的起伏可能較大。為此在換能器兩端并聯(lián)一電容進(jìn)行改善，對(duì)系統(tǒng)性能的影響如表2所示。如圖13所示的阻抗隨并聯(lián)電容的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在不改變串聯(lián)電感的情況下，換能器的諧振頻率降低，這是由于并聯(lián)電容使整體靜態(tài)電容增大，從而導(dǎo)致諧振頻率降低。

圖13 水中并聯(lián)電容CP匹配調(diào)諧阻抗曲線

表2 CP對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖14 CP調(diào)諧發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

圖15 LS和CP調(diào)諧發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

表3 LS、CP對(duì)系統(tǒng)性能的影響

3.4 改進(jìn)電容電感匹配

圖16 CS調(diào)諧阻抗曲線

圖17 CS調(diào)諧發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

如圖19所示，從發(fā)送電壓曲線上可以看出，要獲得寬帶效果，當(dāng)選擇的電感值大時(shí)，需選擇容量小的電容。

圖18 LS、CP、CS匹配調(diào)諧阻抗曲線

表5 LS、CP、CS對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖19 LS、CP、CS匹配調(diào)諧發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)以一個(gè)壓電圓球?yàn)槔?，結(jié)合上述理論仿真分析，采用串聯(lián)電感匹配方式，制作匹配電路，并測試換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線。如圖20所示，未調(diào)諧的測試結(jié)果和多物理場仿真曲線比較吻合。

圖20 未調(diào)諧發(fā)送電壓響應(yīng)曲線仿真與測試對(duì)比

Fig.20 Comparison between simulated and measured TVRs without tuning

圖21 調(diào)諧后發(fā)送電壓響應(yīng)曲線仿真與測試對(duì)比

圖21中解析計(jì)算結(jié)果、有限元仿真結(jié)果和測試結(jié)果存在差異的原因，一方面是等效成可解析求解的理論值利用的是諧振時(shí)的等效電路參數(shù)直接計(jì)算的電感值，而有限元仿真是根據(jù)所期望要達(dá)到的雙峰效果優(yōu)化后的計(jì)算得到的電感值，因此兩者存在差異；另一方面，測試結(jié)果是根據(jù)有限元仿真計(jì)算得到的電感值附近選擇合適的數(shù)值，因此兩者之間的差異較小。

測試的接收靈敏度響應(yīng)曲線如圖22所示，由圖22可以發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電感對(duì)換能器的接收靈敏度沒有影響。

圖22 接收靈敏度曲線仿真與測試對(duì)比

5 結(jié)論

通過等效電路計(jì)算和多物理場仿真分析不同匹配電路對(duì)換能器阻抗、發(fā)送電壓響應(yīng)等性能的影響，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 并聯(lián)電感匹配可以調(diào)諧換能器，使換能器趨于純阻的狀態(tài)工作，不改變換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)；

(2) 串聯(lián)電感匹配可以出現(xiàn)雙峰諧振，合理選擇電感值可以獲得寬帶發(fā)射效果；

(3) 電感電容匹配可以調(diào)整換能器發(fā)送電壓響應(yīng)的起伏，合理選擇電容電感值和串并聯(lián)方式，可以在一定頻率范圍內(nèi)獲得平坦的響應(yīng)曲線；

(4) 電感電容匹配出現(xiàn)雙峰諧振，當(dāng)固定其中一個(gè)變量時(shí)，則隨著另一個(gè)變量值的增大，第一諧振峰頻率降低，對(duì)應(yīng)的發(fā)送電壓響應(yīng)值增大，第二諧振峰頻率降低，對(duì)應(yīng)的發(fā)送電壓響應(yīng)值減??；

(5) 運(yùn)用多物理場仿真計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果相吻合，因此，該手段對(duì)于預(yù)測分析水聲換能器的電聲性能具有很好的指導(dǎo)意義。

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Research on broadband matching performance of piezoelectricunderwater acoustic transducer

ZHOU Yu1,3, TU Qi-jie1, YANG Rong-yao1, TANG Jian-sheng2

(1. The Third Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China;2. Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Beijing 100094, China;3. Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

In this paper the equivalent circuit transformation and multi-physics field finite element simulation is used to research the characteristics of piezoelectric acoustic transducer with broadband matching performance, and the variation of electro-acoustic characteristics of the transducer with different matching circuits is obtained. By reasonably choosing the values of inductance and capacitance as well as the way of series-parallel connection, the double-humpedresponse is achieved to broaden the working frequency range, and to improve the transmitting voltage response (TVR) and reduce the fluctuation in the working frequency range. According to the simulation data, a transducer is designed with the tuned matching using series inductance. The performance difference of the transducer before and after matching is tested. The test results are in agreement with the simulation calculation. It means that the multi-physics field simulation calculation has good guiding significance for predicting and analyzing the performance of underwater acoustic transducer.

broadband matching; multi-physics; piezoelectric underwater acoustic transducer

TB556

A

1000-3630(2018)-03-0286-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.017

2016-12-20;

2017-03-20

水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金支持

周瑜(1982－), 男, 吉林遼源人, 碩士研究生, 高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樗晸Q能器與基陣。

周瑜, E-mail: zycetc3@163.com