一款低频双端纵振-亥姆霍兹换能器

张振雨，王艳，陈光华



一款低频双端纵振-亥姆霍兹换能器

张振雨，王艳，陈光华

(上海船舶电子设备研究所，上海 201108)

对一款谐振频率接近500Hz的双端纵振-亥姆霍兹换能器进行研究，利用电-力-声类比电路理论对低频性能进行定性分析；利用ATILA有限元仿真对电声性能进行定量预计；描述了双端振子的装配过程；制作了换能器样机，并对性能进行测试及分析。结果表明仿真分析较为准确，双端振动具有较高的一致性，最终实现了低频大功率发射。

亥姆霍兹谐振腔；双端纵向振动；低频深水换能器；预应力控制；一体化装配

0 引言

从上世纪70年代至今，亥姆霍兹谐振腔换能器(简称亥姆霍兹换能器)作为一种低频深水声发射器出现已经有40多年的历史。在此期间先后出现了以弯曲振动、圆环径向振动、双端纵向振动等作为驱动方式的亥姆霍兹换能器。这类换能器一般由驱动源及谐振腔这两部分组成，其通常的工作原理为：驱动源的振动带动刚性腔内部流体的振动，并经由腔体上开口处传递到外部。

根据电-力-声类比基础理论[1]：谐振腔内流体等效为弹簧元件，开口处流体等效为质量元件，在振动中的摩擦阻力及粘滞阻力等效为阻尼元件，因此谐振腔可以简单等效为“弹簧-质量-阻尼的受迫振动”系统，该系统的谐振频率称为亥姆霍兹谐振频率。因此，亥姆霍兹换能器的类比等效电路将包括谐振腔部分与驱动源部分[2]，由此可知该换能器具有两方面特点：(1) 亥姆霍兹谐振频率低于驱动源自身的本征谐振频率。(2) 亥姆霍兹谐振处的Q值较高。最初引入亥姆霍兹谐振腔作为水声发射器也是出于上述两点考虑。

1 工作原理

近年来，一种被称为“双端纵振-亥姆霍兹换能器”(Janus-Helmholtz, JH)受到较广泛关注。究其原因是由于该换能器可以在几百赫兹的低频段实现大功率发射，且工作深度一般不受限制，因而广泛用于海洋采矿业、海底电缆线路调查、大陆架测量等方面[3,4]。

JH换能器采用双端纵向振子(简称Janus)作为驱动源，在振子的两个头质量块处围绕两个刚性圆柱壳，圆柱壳内部的流体通过位于中央平面的开口与外界流体相连通，构成谐振腔，如图1所示。

该换能器的工作原理为：Janus的双端振动带动谐振腔内部水介质的往复运动，腔内部的声能量经由开口处辐射到远场。因此，谐振腔与驱动源的耦合振动将出现两个谐振频率，其中较低的称为亥姆霍兹谐振频率。

关于小尺寸的JH换能器及阵列的初步研究工作已经开展[5,6]，本文将重点介绍一款谐振频率接近500 Hz的双端纵振-亥姆霍兹换能器(简称JH500)。依次从理论分析、仿真设计、Janus振子装配、性能测试及结果分析进行描述。

2 理论基础

利用电-力-声类比基础理论，对JH换能器的部分性能进行定性分析。将JH换能器的驱动源电路与谐振腔电路连接，形成的等效电路[6]如图2所示。

对Janus振子施加电压，通过机电转换系数转换为力，使Janus振子产生类弹簧-质量-阻尼(C-M-R)的受迫振动。通过机声转换系数将力转化为声压。这里存在两个辐射体，即头质量块外表面的直接辐射和谐振腔经由开口的辐射，由于后者是由头质量块内表面推动，因此与前者相位相反。这里将声部分电路分为上下两部分。在上部分电路中，M、R表示头质量块外表面的辐射阻抗；在下部分电路中，声线流经腔声顺C、开口声质量M、腔损失阻R以及谐振腔的辐射阻抗0、0。

式中：C包括机械力顺C及腔声顺C，后者与腔体积成正比；M包括声质量M及瑞利末端修正质量抗0，前者反比于开口截面积[2]。由此可知，增大腔体积与减小开口截面积均可以降低亥姆霍兹谐振频率。为了保持功率/体积比率，增大腔体积意味着Janus振子随之增大，即JH换能器整体尺寸增大；减小开口截面积意味着图1中圆柱壳拉长，将导致腔损失阻R增大，使辐射声能量降低[7]。另一方面也说明当腔体积与开口截面积同时增大或减小时，谐振频率可以保持不变。

本文的JH换能器，根据上述理论基础，通过仿真计算进行优化设计。

3 仿真设计

在JH500换能器的仿真设计中，将借助于ATILA有限元仿真软件，其后处理可将计算结果直观显示为换能器的电声性能。

ATILA仿真分析分为两个阶段：(a) 利用GID软件建立模型；(b) 利用ATILA求解器进行计算及分析。由于JH500换能器几何结构具有轴对称性及双端对称性，GID中的仿真模型可简化为1/2二维轴对称模型，如图3所示。

图3为JH500在水中的有限元模型，其中对称轴方向为换能器的轴向，与之垂直的方向为径向。在材料属性方面：Janus振子的头质量块为铝；中心质量块、螺杆及圆柱壳材料为钢；压电陶瓷为PZT4；流体介质为水。经过施加载荷、边界条件等过程后，即可利用ATILA进行求解计算。

结合理论基础将大量的仿真结果进行分析，对仿真模型的几何尺寸进行了适当的调整，优化后得到一款JH500水中电导曲线及发送电压响应TVR曲线，分别如图4、5所示。

4 Janus振子装配

由于JH500的双端纵振子尺寸较大，若对两侧压电陶瓷堆的预应力控制不当，则容易出现受力不均匀、中心节点偏移以及同轴性差等问题，这将导致换能器双端振动不一致，进而影响其电声性能及可靠性。为了尽可能避免上述问题出现，本文采用一体化装配结合预应力控制技术完成双端纵振子的预应力施加过程，即为了确保双端振动的一致性及对称性，同时对两侧陶瓷施加相等的预应力，避免了单独施加预应力在机械方面可能存在的偏差。在预应力精确控制方面，采用了先进的液压系统、精密的力学传感器及数字化的实时显示系统，从而大幅度提高了预应力施加过程的准确性、平稳性及可控性，该装配系统的组成框架如图6所示。

图6所示的Janus振子装配系统包括液压控制系统、数字实时显示系统、一体化装配系统。当进行预应力施加时，液压控制系统将对一体化装配系统固定的Janus双端纵振子施加力，同时借助力学传感器将力的数值反馈给数字实时显示系统，进一步调整液压控制系统，直至预应力施加结束。

5 测试结果及分析

在消声水池完成了JH500换能器(样机见图7)电声性能的测试，现将测试数据与仿真结果进行对比分析。测试结果如图8、9所示。

5.1 水中电导

由图8可知测试及仿真的电导曲线基本相同，测得第一谐振频率为480 Hz，第二谐振频率为1340 Hz。但处电导值偏差较大，说明在亥姆霍兹谐振处，实际的品质因数Q大于仿真值。

5.2 发送电压响应

图9(a)、9(b)分别给出了JH500换能器在轴向及径向的发送电压响应数据测试值及仿真值。

由图9可知，测试及仿真的发送电压响应曲线随频率变化趋势基本相同。但在亥姆霍兹谐振处仿真的响应值与测试的相差较大，这说明实际情况下谐振腔损失能量较大。

(a) 轴向

(b) 径向

图9 JH500换能器发送电压响应曲线

Fig.9 The transmitting voltage response curves of JH500

5.3 指向性

图10给出了JH500换能器在轴向平面内指向性的测试结果及ATILA仿真结果，其中0°及180°方向为换能器的轴向；90°及270°方向为换能器的径向。

由图10可知：测试及仿真的指向性随频率变化的趋势一致。当频率<1000 Hz时，轴向声能量较大，当频率逐渐增大，轴向声能量减小，径向声能量增大；频率=1000 Hz时，指向性近似全向；频率>1000 Hz时，径向声能量较大。

此外，测试指向性图具有较好的对称性则说明双端振动的一致性较高，这归功于良好的预应力施加和结构装配精度。为了更直接地说明双端振动的一致性，仅对双端振子Janus500进行测试，在偏离轴向的不同角度上比较Janus500两端辐射声压级差值Δ随频率变化情况，如图11所示。

图11中=-30°表示顺时针偏离轴向30°的声压级差值Δ，即330°方向声压级330°与150°方向声压级150°的差值。同理，=-15表示345°-165°；=0表示0°-180°；=15则表示逆时针偏离轴向15°的声压级差值Δ=15°-195°；=30表示30°-210°。

由图11中的离散数据可知：(1) 当频率∈[600,1400] Hz，偏离轴向角度∈[-30°, 30°]，Δ∈[-0.3，0.3] dB。(2) 由Δ上下半区间离散点的分布情况可知，点数ΔSPL>0：点数ΔSPL=0：点数ΔSPL<0的比值为19:15:11。上述两点说明：在轴向附近区域由Janus500振子双端振动产生的辐射声波声压级略有不同，但差异非常小。即说明双端振动的一致性较高，进而验证了良好的预应力施加和结构装配精度。

5.4 声源级

在400~1400 Hz频段，对JH500换能器施加近似900 Vrms的电压，测得在轴向、对应的最大声源级分别为198 dB、197 dB，最小声源级为188 dB(=600 Hz)；径向1、2对应的最大声源级分别为196 dB、203 dB，最小声源级为184dB(=600 Hz)。

JH500换能器的性能参数如表1所示。

表1 JH500换能器性能参数

6 结论

本文从理论分析、仿真设计、样机制作、性能测试及结果分析这几方面对双端纵向振动-亥姆霍兹换能器JH500进行论述及分析，结果表明：

(1) ATILA仿真结果实现了对JH500换能器电声性能较准确的预计。

(2) 一体化装配与预应力控制技术确保了JH500双端振动的对称性。

(3) JH500换能器在亥姆霍兹谐振处具有较高Q的同时谐振腔损失能量也较大。

(4) 随频率增大，JH500换能器的声能量逐步由轴向向径向集中。

(5) JH500实现了在400~1400 Hz频段大功率发射。

综上所述，JH500换能器将在深水拖曳阵、浅地层剖面设备、超远距离水声通信设备等方面具有较好的应用前景。

[1] 杜功焕. 声学基础[M]. 南京: 南京大学出版社, 2001.

DU Gong huan. Theory of Acoustics[M]. Nanjing: Nanjing University Press, 2001.

[2] Henriquez T A. The Helmholtz resonator as a high power deep submergence source for frequencies below 500 Hz[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1980, 67(5):1555-1558.

[3] Leon P. SYSIF a new seismic tool for near bottom very high resolution profiling in deep water[C]// Proc. Oceans conference, Europe. 2009.

[4] Gall Y Le. Depth-unlimited versions of the Janus-Helmholtz transducer[C]// Proc. Undersea Defence Technology Conference, Cannes, France, June 1993: 241-245.

[5] 张振雨, 顾亦炜. 一种Janus-Helmholtz二元阵[J]. 声学技术, 2013, 32(4, Pt.2): 399-401.

ZHANG Zhenyu, GU Yiwei. An array of two Janus-Helmholtz transducers[J]. Technical Acoustics, 2013, 32(4, Pt.2): 399-401.

[6] 桑永杰, 蓝宇. 多液腔Janus-Helmholtz水声换能器[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2013, 34(10): 1261-1266.

SANG Yongjie, LAN Yu. Multicavity Janus-Helmholtz underwater acoustic transducer[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2013, 34(10): 1261-1266.

[7] Young A M. The development of a high power, low frequency underwater acoustic source for use in a deep towed geophysical array system[C]// NRL report 8633, 1982: 1-17.

A low frequency Janus-Helmholtz transducer

ZHANG Zhen-yu, WANG Yan, CHEN Guang-hua

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

The Janus-Helmholtz transducer with the resonancefrequency near 500Hz is presented in this paper. Firstlythe theory of equivalent circuit is used for qualitative analysis of low frequency performance and ATILA finite element simulation technique is used for quantitative analysis of the transducer. Then the assembly of Janus500 is described and the Janus-Helmholtz transducer sample is developed and its performance is tested and discussed. The results indicate that the simulation analysis is relatively accurate and the coherence between double ends’ vibrations is good enough. Finally the performance of the transducer in low frequency and high power is achieved.

Helmholtz resonator; double-ended longitudinal vibration; low frequency deep-submergence transducer；pre-stress control; integrative assemblage

TB552

A

1000-3630(2015)-02-0188-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.018

2014-02-18;

2014-04-28

张振雨(1983－), 男, 辽宁鞍山人, 硕士, 研究方向为低频深水大功率发射器。

张振雨, E-mail: allen3514@hotmail.com