匹配层水声宽带换能器性能分析

田丰华, 何文峰, 张 俊



匹配层水声宽带换能器性能分析

田丰华, 何文峰, 张 俊

(中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西西安, 710075)

为了提高现代鱼雷的作战性能, 适应复杂环境, 研制了宽带自导系统, 旨在提高声纳基阵的整体性能。本文采用了有限元分析方法, 借助ANSYS软件设计了匹配层水声宽带换能器, 通过调整匹配层的声速、密度及厚度, 分析了该类换能器的性能, 包括换能器谐振频率、发送电压响应、自由场电压接收灵敏度以及收发频带宽度等, 并对其结构进行了优化。研制了匹配层水声宽带换能器并进行了水池试验, 对比分析了理论设计与试验结果, 其测试结果与计算结果具有较好的一致性。本文研究可为声纳基阵设计提供借鉴。

鱼雷自导系统; 匹配层; 宽带换能器; 电声性能; 有限元方法

0 引言

为了提高作战性能, 适应复杂环境, 现代鱼雷大多采用宽带自导系统, 其优势在于: 1) 主动探测能力强。自导系统工作频带宽, 并向低频段延伸, 提高了自导系统的远程探测能力, 可以弥补安静型潜艇由于目标强度降低而造成作用距离的减少。2) 主被动可同时工作, 宽频带自导系统由于工作带宽大, 可主被动同时工作, 对抗难度大, 同时可提高自导系统的反对抗能力。3) 环境适应能力强, 在浅海复杂环境条件下, 海面、海底反射形成的混响是影响自导性能的重要因素, 宽带信号可提高鱼雷混响背景中的检测能力。

目前, 针对宽带自导系统所用换能器而言, 匹配层水声宽带换能器是比较理想的选择。因此, 本文结合工程实际应用背景, 针对匹配层水声宽带换能器进行了深入研究, 为后续宽带声纳基阵的研制奠定坚实的基础。

1 理论分析

目前水声换能器的设计主要借助有限元理论、边界元理论和机电耦合理论作为理论指导, 本文从工程应用的角度, 简要介绍匹配层水声宽带换能器的设计理论。

匹配层技术的应用能有效拓宽换能器的工作频率, 但在实际应用中辐射面的大小不一, 特别在布阵使用中, 由于障板和互辐射的作用, 基阵的谐振频率比单个基元高, 这是由于换能器辐射抗减少的缘故。匹配层厚度在理论上应取换能器谐振频率波长的1/4, 即认为此时可获得最大的带宽, 其前提条件是辐射面尺寸比工作波长大的多, 辐射抗比较小, 换能器谐振频率不因辐射抗的存在产生偏移。实际上, 这样的条件在自导基阵中很难满足, 必须对匹配层厚度进行修正, 以获取基阵的最佳性能。匹配层及参数的设计理论为

(2)

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理论上选取最佳匹配层的厚度为换能器谐振频率波长的1/4, 且

(6)

即, 有

(8)

故修正后的匹配层厚度可表示为

(10)

从上述理论推导可看出, 在应用匹配层技术的过程中, 主要涉及到匹配层的声速、密度及匹配层的厚度等参量, 其中的关键参量为声速, 声速取值越大, 电导带宽越宽, 且中间的凹谷亦越深, 声速大到一定程度时, 带宽将产生不连续。

2 匹配层水声宽带换能器有限元计算

2.1 空气介质中匹配层水声换能器性能

主要分析了换能器在灌注匹配层前后的电导、电纳的变化规律（如图1、图2所示）。其作用在于控制水声换能器的谐振频率以及阻抗特性, 为水域介质中的换能器频段分析提供参考。图中显示了换能器在灌注匹配层前后谐振频率的变化, 尤其是灌注匹配层后, 在一定的带宽内, 换能器出现了2个主谐振峰, 用于拓展换能器的带宽。

图1 空气介质中灌注匹配层前换能器电导/电纳/导纳-频率曲线

图2 空气介质中灌注匹配层后换能器电导/电纳/导纳-频率曲线

2.2 水域介质中匹配层水声换能器性能

建立了3D流体模型, 理论计算了匹配层灌注前后换能器的电导、电纳及导纳性能（见图3和图4）。图4中, 匹配层换能器的电导曲线趋于平坦, 在一定程度上决定了匹配层换能器发射性能的平坦性。电纳曲线也趋于平坦, 给宽带匹配提供了便利, 在不同频点上基阵的电声转换效率也会相应的提高。图5为发射性能的计算结果, 体现了匹配层换能器的宽带性能。

图3 水域介质中灌注匹配层前换能器电导/电纳/导纳-频率曲线

图4 水域介质中灌注匹配层后换能器电导/电纳/导纳-频率曲线

图5 水域介质中灌注匹配层前后发送电压响应-频率曲线

3 试验验证

在上述研究的基础上, 研制了匹配层水声宽带换能器, 对其性能进行了测试, 其结果如下。

3.1 空气介质中匹配层换能器性能测试

为了便于总结规律, 从而对匹配层进行深入研究, 本文用4194A阻抗分析仪在空气介质中对匹配层灌注前后换能器的电导、电纳及阻抗分别进行了性能测试, 其结果如图6~图8所示。

从图6和图7可以预判匹配层换能器的工作带宽及带内发射性能的平坦性。从图8可以看出, 匹配层换能器是高阻换能器。另外, 在正常大气压下, 对匹配层换能器进行了机械强度的测试, 结果表明, 该匹配层换能器能耐3 000 V的直流高压, 通过的电流峰峰值1.0 A以上。

图6 空气介质中灌注匹配层前换能器电导/电纳-频率测试曲线

图7 空气介质中灌注匹配层后换能器电导/电纳-频率测试曲线

图8 空气介质中灌注匹配层前后换能器阻抗-频率曲线

3.2 水域介质中匹配层换能器性能测试

3.2.1 发射性能测试

使用水声自动化测量系统对匹配层换能器进行了发送电压响应及发射指向性测试, 其中发射指向性测了2个频点, 分别为=20 kHz,=30 kHz, 结果如图9~图11。图12可看出, 匹配层换能器的源级较大, 所需要功率也较大, 但整个带内较平坦, 是工程应用中实现换能器宽带性能的较好选择。

图9 匹配层换能器的发送电压响应-频率测试曲线

图10 f=20 kHz时匹配层换能器束宽-角度测试曲线

图11 f =30 kHz时匹配层换能器的束宽-角度测试曲线

图12 匹配层换能器的源级-频率测试曲线

3.2.2 接收性能测试

使用水声自动化测量系统测量了匹配层换能器接收性能。测试结果如图13所示。由图中可以看出, 匹配层换能器的自由场电压接收灵敏度起伏较小, 接收灵敏度较高。

图13 匹配层换能器自由场电压接收灵敏度-频率曲线

4 结束语

本文从理论设计、仿真计算和试验验证3个层面对匹配层换能器进行了较为深入的研究; 从工程应用的角度, 对匹配层换能器进行了机械强度和大功率发射测试。通过分析可知, 复合棒纵向振动换能器的辐射面上灌注阻抗匹配层之后, 其发射、接收性能及工作频带宽度都有较大幅度的提高; 理论、仿真设计的发射性能、接收性能、频带宽度、谐振频率等与试验结果具有较好的一致性。另外, 由于障板的材料、大小及厚度、去耦材料及透声层厚度对匹配层换能器的声学性能都有较大影响(尤其透声层厚度会受到流体线形的制约), 需要在工程应用中做更加深入的研究。本文对匹配层换能器所做的设计和分析, 对声纳基阵的发展具有借鉴意义, 为工程应用中声纳基阵的研制奠定基础。

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(责任编辑: 杨力军)

Performence Analysis on Broadband Transducer with Matching Layer

TIAN Feng-hua , HE Wen-feng , ZHANG Jun

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

A broadband transducer with matching layer was designed with finite element method（FEM）and ANSYS software to make modern torpedo adapt complicated environment. The acoustic velocity, density and thickness of the matching layer were adjusted to analyze the acoustic characteristics of the transducer, including syntonic frequency, transmitting voltage response, receiving sensitivity of free field voltage, and receiving transmitting frequency bandwidth, and to optimize its structure. Tank test of the transducer was conducted, and the results agreed well with computation. This study may offer a reference for sonar array design.

torpedo homing system; matching layer; broadband transducer; electroacoustic characteristic; finite element method(FEM)

TJ630.34; TP273.4

A

1673-1948(2012)06-0428-04

2012-03-06;

2012-05-09.

田丰华(1981-), 男, 硕士, 工程师, 研究方向为鱼雷声学装置.