嵌入式外部驱动IV型弯张换能器设计

李志强，莫喜平，张运强，崔斌，潘耀宗，李鹏



嵌入式外部驱动IV型弯张换能器设计

李志强1,2，莫喜平1，张运强1，崔斌1，潘耀宗1，李鹏1

(1. 中国科学院声学研究所，北京100190；2. 中国科学院大学，北京100190)

为了减小外部驱动IV型弯张换能器长度，提高此类换能器的实用性，提出在弯张壳长轴方向设计一U型凹槽、驱动单元置于凹槽内驱动的方案。利用有限元软件重点分析U型凹槽尺寸对换能器谐振频率和体积位移的作用规律，同时结合水中模型的发射电压响应，设计了一款谐振频率为2.2 kHz、-3 dB带宽为330 Hz的嵌入式外部驱动IV型弯张换能器。这种结构的换能器不仅吸收了已有外部驱动IV型弯张换能器的优点，还弥补了其长度尺寸过大的缺陷。

嵌入式；外部驱动；小尺寸；弯张换能器

0 引言

IV型弯张换能器是一种广泛应用于低频、大功率水声探测领域的发射型换能器，它利用了壳体较低频率的弯曲振动模态，将驱动单元小振幅的纵振动转化为弯张壳体大振幅的弯曲振动。溢流式IV型弯张换能器可实现深水工作，但声辐射效率较低，需要在壳体填充顺性材料[1-2]；空气背衬式IV型弯张换能器常作为大功率低频声源，但也存在随水深的增加，驱动单元的预应力下降的问题，因此要考虑应力补偿措施。空气背衬外部驱动IV型弯张换能器将驱动单元设计在弯张壳体外部，随着工作水深的增加，壳体对驱动单元施加的是压应力，因此工作水深有一定的提高[3-4]。此外驱动单元尺寸不受壳体尺寸限制，工作产生的热量也可以通过水密结构快速散发到水中，因此兼具装配简单、功率大等优势。制约外部驱动IV型弯张换能器应用的主要问题在于其长轴方向尺寸过大，因此研究减小尺寸的方案对于推广外部驱动IV型弯张换能器的应用具有积极的意义。

1 壳体结构设计思路

传统的外部驱动弯张换能器如图1所示[3]，其沿壳体长轴方向的尺寸为壳体长轴、驱动单元、夹板、螺母等结构的长度之和。本文设计的嵌入式外部驱动IV型弯张换能器充分利用了弯张壳内部的空间，通过在弯张壳体长轴方向设计一嵌入壳内的U型凹槽、压电陶瓷驱动单元插入凹槽的方式，有效地缩短了换能器的整体长度。换能器壳体的结构见图2。

壳体结构中辐射面部分为椭圆形的IV型弯张壳体结构，为抑制U型凹槽的弯曲振动，槽壁厚度需比辐射面壳厚略厚，同时通过一对杆结构限制槽口的张合振动。与槽口相对一端为较宽的平面，有利于提高壳体振动时的稳定性。

2 有限元仿真分析

有限元方法是设计水声换能器常用的方法之一，首先利用模态分析方法仿真尺寸参数对换能器一阶振动模态的影响，之后利用空气中的谐响应分析得到各尺寸参数对壳体辐射面体积位移的影响，最后根据两者的结果选取合适的结构尺寸设计换能器水中模型，计算得到其声学参数。

2.1 空气中有限元分析

嵌入式外部驱动IV型弯张换能器的1/4有限元模型如图3所示。具体需要考虑的尺寸参数包括弯张壳长短轴尺寸、弯张壳厚度、U型凹槽壁厚、臂长、夹板厚度等。其中，通过仿真分析发现，壳体长短轴尺寸和弯张壳厚度对换能器声学性能的影响与IV型弯张换能器的规律基本一致，因此本文重点介绍U型凹槽、换能器两端的夹板的影响效果，下文对这两结构所提及的控制变量如图4所示。研究以下规律时，换能器弯张壳的长轴长为90 mm，短轴长为31.5 mm，同时为了增加可选取的压电陶瓷尺寸，在短轴方向加高28 mm，弯张壳辐射面厚度为4 mm。

U型凹槽厚度对换能器谐振频率和体积位移的作用规律见图5和图6。图5反映了随着U型凹槽变厚，换能器谐振频率逐步变大，但变大的趋势越来越小并向一极值靠近，图6中体积位移随U型凹槽厚度的变化规律也如此。结合模态分析可知，当U型凹槽的厚度较薄时容易激发其弯曲振动，此时换能器整体刚度较小，且驱动阵子激发的一部分机械能被U型凹槽分占，传递到弯曲辐射面上的减少。根据图5和图6的曲线特点，本文选取的U型梁厚度为6 mm，即弯张壳厚度的1.5倍。这一比例仅供参考，是否适用于不同壳体厚度的此类换能器将另文进一步研究。

图7和图8分析了U型凹槽的臂长对谐振频率和体积位移的影响。由于分析中保持驱动单元长度不变，因此随着U型凹槽臂长变短时螺杆的长度也相应变长。两图中的曲线均存在一凹谷，图9显示了U型凹槽臂长60 mm时换能器振动的位移分布，表明此时螺杆的弯曲谐振频率很接近壳体辐射面谐振频率，驱动单元输出的能量很大一部分被螺杆吸收。因此在设计U型凹槽臂长以及驱动单元的长度时，螺杆的一阶谐振频率与壳体弯曲辐射面的一阶谐振频率不能太接近。较短的臂长和较长的臂长均可增大体积位移，但较长的臂长具有更低的谐振频率，并考虑到凹槽的主要用途是减小换能器长度，因此在壳体尺寸允许的基础上应适当增加臂长。

换能器两端的夹板作为非振动部件，需要其振动幅度越小越好，除了通过增粗螺杆外，还需控制夹板的厚度。图10为换能器谐振频率和夹板厚度之间的关系，图11为体积位移和夹板厚度之间的关系。由图10、11可知，当夹板厚度较薄时，振动时夹板容易发生弯曲振动，这虽然可以使换能器谐振频率降低，但声辐射效率也大大降低。当然夹板厚度并不是越大越好，当夹板为20 mm厚时，进一步增加其厚度对谐振频率和体积位移的影响都已经很小了。

2.2 水中有限元分析

根据空气中优化分析得到的嵌入式外部驱动IV型弯张换能器各零件尺寸建立水中空气背衬的有限元模型，参考发射电压响应曲线进一步微调各零件尺寸，最终设计了一款谐振频率在2.2 kHz、-3 dB带宽330 Hz的换能器。换能器的壳体高度为50 mm，长轴为90 mm，短轴是长轴的0.35倍，同时沿短轴方向加高28 mm；U型凹槽臂长为80 mm，槽宽为24 mm；弯张壳厚度为4 mm，U型凹槽厚度为6 mm；压电陶瓷堆与过渡块的总长度为70 mm，直径为18 mm；夹板厚为18 mm；螺杆直径为10 mm。和具有相同长轴的弯张壳及相同长度驱动单元的传统外部驱动IV型弯张换能器相比，此换能器的长度减少了U型凹槽槽底到槽口的长度，大大减小了换能器沿壳体长轴方向的尺寸。图12是此换能器发射电压响应的有限元计算结果，提取谐振频率为2.2 kHz的声压值绘制的指向性曲线如图13所示，其中0°方向为槽口背面的方向，180°方向为槽口朝向的方向。根据指向性曲线，换能器的声辐射可以认为是全向的。

3 结论及展望

文章利用有限元方法设计了一款嵌入式外部驱动IV型弯张换能器，计算模型表明，其谐振频率2.2 kHz处的发射电压响应为129.4 dB，预测其声源级可达到190 dB；-3 dB带宽为330 Hz；声辐射具有全指向性的特点。

本款嵌入式外部驱动IV型弯张换能器在吸收了已有的外部驱动IV型弯张换能器的优点的同时，还弥补了此类换能器长度过大的缺陷，具有尺寸小的优势，大大提高了此类换能器的实用性，具有广阔的应用前景。

[1] 莫喜平. 新型弯张换能器的研究与设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 1998, 5: 65-67.

MO Xiping. The study and design of a new type flextensional transducer[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 1998, 5: 65-67.

[2] YAO Q S, LEIF Bjorno. Depth restrictions and solutions for barrel stave flextensional transducers[C]// 3rd European conference on underwater acoustics, Heraklion. 1996: 1037-1042.

[3] Raymond Porzio, Narragansett. Outboard- driven flextensional transducer. United States: 4894811[P]. 1990-07.

[4] 刘永平, 王智元, 蓝宇, 等. 单侧外部驱动弯张换能器[J]. 应用声学, 2003, 23(5): 7-10.

LIU Yongping, WANG Zhiyuan, LAN Yu, et al. One-sided outboard-driven flextensional transducer[J]. Applied Acoustics, 2003, 23(5): 7-10.

Design of grooved outboard-driven class IV flextensional transducer

LI Zhi-qiang1,2, MO Xi-ping1, ZHANG Yun-qiang1, CUI Bin1, PAN Yao-zong1, LI Peng1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

To reduce the length of outboard-driven class IV flextensional transducer and to improve the practicality, a solution of setting a U-shaped groove at the macro axis of the ellipse shell and appending the driven unit into the bottom of the groove is presented. How the size of the groove affects the transducer’s resonant frequency and volume displacement is analyzed especially with the help of finite element software. Furthermore, according to the transmitting voltage response of the underwater model, an outboard-driven class IV flextensional transducer with a resonant frequency at 2.2 kHz and a bandwidth of 330 Hz is designed. Beside having the advantages of the existing outboard-driven class IV flextensional transducer, this new structured transducer can also remedy the weakness of the traditional one in size too large.

grooved;outboard-driven;small size;flextensional transducer

TB565+.1

A

1000-3630(2015)-06-0566-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.019

2014-12-18;

2015-02-16

国家自然科学基金(11304350)、青年促进会基金资助项目。

李志强(1988－), 男, 山东临沂人, 博士研究生, 研究方向为水声换能器。

莫喜平, E-mail: mxp@mail.ioa.ac.cn