一种多谐振宽带复合棒声学换能器的设计与性能分析

田丰华, 宋 哲



一种多谐振宽带复合棒声学换能器的设计与性能分析

田丰华, 宋 哲

(中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西西安, 710075)

为了拓展压电声学换能器工作带宽, 提高发射性能, 减小发射起伏, 综合利用了匹配层、双激励、弯曲振动、中间质量块开槽等拓展带宽的方法, 设计了一种新型多谐振宽带复合棒声学换能器。利用有限元方法对该换能器进行了模态分析, 研究了匹配层厚度、中间质量块尺寸对其发射性能的影响。通过试验验证, 得到该换能器工作带宽12 kHz~42 kHz, 发送电压响应大于140 dB, 频带内发送电压响应起伏小于6 dB。试验测试结果与计算结果具有较好的一致性。

声学换能器; 多谐振宽带; 模态分析; 有限元方法

0 引言

为了提高鱼雷自导系统的探测能力, 适应复杂环境, 获取更多的水下信息, 现代水下装备武器多采用宽频带水声换能器。其优势在于: 1) 水声换能器工作频带展宽, 并向低频段延伸, 可以弥补安静型潜艇由于目标强度降低而造成作用距离减小的缺点; 2) 环境适应能力强, 在浅海复杂环境下, 海面、海底反射形成的混响是影响水下尖端武器性能的重要因素, 宽带信号可提高其混响背景下的检测能力; 3) 估计目标运动要素精度高, 利于远距离真假目标识别和近程的垂直命中精确打击, 即距离分辨力与信号带宽成正比, 带宽越宽, 距离分辨力精度越高, 目标识别能力强, 宽带信号可以使目标回波携带更多的目标信息, 具有很强的目标识别能力。由于纵振复合棒换能器的机电转换效率高、性能稳定可靠、布阵便捷、单指向性等优点, 广泛应用于鱼雷自导系统声学装置、水下探测、仿真系统等领域, 是近些年国内外学者研究的热点, 主要体现在拓展纵振复合棒换能器的频带宽度方面。目前, 针对拓展纵振复合棒换能器的频带宽度研究, 主要应用匹配层[1-4]、双激励[5-7]、弯曲振动[8]、开槽等技术, 通常可获得近一个倍频程的带宽。为了进一步拓展声学换能器的频带宽度, 文章对多谐振声学换能器进行了深入研究, 主要通过匹配层、双激励、中间质量块开槽、弯曲振动等多种方法获得纵振复合棒换能器的多谐振峰。由于多种弯曲振动的耦合, 很难控制声学换能器各部件的相位, 导致在频带内发射性能不连续(带内起伏较大)。文中通过结构优化, 在后质量块、后压电晶堆与预应力螺杆之间加位移约束, 使三者之间的相位基本一致, 在透声层的厚度及材料方面也进行了优化设计, 解决了带内发射性能不连续问题, 进行了大批量生产, 并已在工程上推广应用。

文中利用多项技术, 研制了多个谐振点的纵振复合棒换能器, 通过对弯曲振动耦合的研究, 解决了纵振复合棒换能器各部件之间的相位一致性, 使得纵振复合棒换能器的工作频带在多谐振点间连续, 从而形成了多谐振宽带声学换能器; 采用新型压电陶瓷材料, 并对结构尺寸进行优化, 大幅度提高了该类换能器的发射性能。文中研究的多谐振宽带声学换能器, 其工作带宽达到了30 kHz, 发送电压响应大于140 dB, 理论计算结果和实测结果较为一致, 并已在工程项目上应用。

1 多谐振宽带声学换能器工作原理

1.1 结构组成

多谐振宽带声学换能器主要由匹配层、前盖板、前压电晶堆、中间质量块、后压电晶堆、后盖板、中空预应力螺杆等组成, 其结构如图1所示。

1.2 宽带声学换能器多谐振产生机理

为了达到拓展声学换能器带宽及提高发送电压响应的目的, 应用了匹配层、双激、中间质量块开槽及弯曲振动技术, 获得声学换能器的多模振动。匹配层换能器是在单模复合棒纵振换能器的辐射头上增加一层匹配层, 通过声阻抗耦合, 使得该换能器产生2个谐振峰来拓展频带宽度, 主要涉及到匹配层材料的声速、密度及厚度等参量, 其中, 声速取值越大, 点到带宽越宽, 2个谐振峰之间的凹谷亦越深, 声速大到一定程度时, 带宽将产生不连续; 双激励换能器是通过2个谐振频率的合理选择来拓展换能器的带宽, 在低频时, 前盖板、前压电晶堆和中间质量块共同构成等效前盖板, 高频时, 后质量块、后压电晶堆和中间质量块共同构成等效后质量块, 该类换能器的工作带宽有限, 其发送电压响应也较低; 前盖板弯曲振动声学换能器是通过调整辐射头的大小, 使声学换能器的谐振频率和弯曲振动频率的间距在合适的区间内, 用于拓展该类换能器的频带宽度, 该类换能器的发送电压响应可以做的很高, 但会受到布阵空间及工作深度的限制。

4种技术同时应用于声学换能器[1-2], 将产生更宽的带宽, 适当调整双激励换能器的电极位置, 在该换能器的辐射头上灌注匹配层, 即在双激励的2个谐振峰之间产生第3个谐振峰, 同时, 对应的双激励换能器的第1阶谐振频率向低频段移动, 高频段谐振频率基本保持不变, 在此基础上适当调整辐射头的面积及厚度、匹配层的厚度、中间质量块开槽产生多个弯曲振动模态, 控制弯曲振动模态与双激励换能器的高频模态之间的间距, 优化结构, 约束后质量、后压电晶堆与螺杆的相位, 达到再次拓展带宽的目的。

2 多谐振宽带声学换能器有限元分析

为了提高该类换能器的声学性能, 验证多项技术的有效性, 结合工程实际研究设计了多谐振宽带声学换能器。主要技术参数涉及到匹配层厚度、辐射头尺寸、电极位置、中间质量块材料及尺寸、中间质量块环形开槽的深度、后质量块的材料及尺寸、透声层材料及厚度、压电陶瓷的厚度(与发送电压响应有关)、前压电晶堆和后压电晶堆的片数及径向尺寸等。在确定中间质量块开槽宽度和深度是2 mm, 且对后压电晶堆、后质量块及预应力螺杆三者之间进行位移约束(使三者之间的相位基本一致)的条件下, 主要分析2个关键因素即匹配层厚度、及中间质量块的长度对该类换能器声学性能的影响。

2.1 多谐振宽带声学换能器模态分析

依据多谐振宽带换能器的结构尺寸, 建立了有限元模型如图2所示。

主要计算了多谐振宽带声学换能器在空气介质中的前5阶模态振型, 如图3~图7所示, 其中第1阶模态对应的频率为16.107 kHz, 第2阶模态振型对应的频率为22.239 kHz, 第3阶模态对应的频率为29.979 kHz, 第4阶模态振型对应的频率为35.239 kHz, 第5阶模态对应的频率为41.181 kHz。其作用在于观察多谐振宽带声学换能器的多个谐振频率以及对应的阻抗特性是否在所要求的频带范围之内, 为水域介质中该类换能器频段分析提供参考。

2.2 发送电压响应与匹配层厚度的关系

在压电晶堆、辐射头、中间质量块和后质量块等参数不变的条件下, 通过改变灌注匹配层厚度, 计算多谐振宽带声学换能器的发送电压响应, 从而总结其变化规律, 结果如图8所示。

从图8可看出, 随着匹配层厚度的增加, 除第3阶谐振频率(双激励换能器的第2阶谐振频率)变化不明显外, 其他4阶谐振频率都向低频端移动, 尤其高频段谐振频率向低频移动更明显; 随着匹配层厚度的增加, 除第2阶谐振频率对应的发送电压增加外, 其他4阶谐振频率对应的发送电压响应均减小, 尤其第3阶谐振频率对应的发送电压响应减小明显。匹配层厚度参数对于调整该类换能器的带宽及带内发送电压响应的平坦度具有重要作用。

2.3 发送电压响应与中间质量块长度的关系

在多谐振宽带声学换能器其他尺寸及材料参数不变的条件下, 通过调整中间质量块的长度, 研究该类换能器的发送电压响应、带内起伏等发射性能的变化规律, 结果如图9所示。

由图9可看出, 随着中间质量块的增加, 该类换能器对应的5阶谐振频率均向高频端移动; 发送电压响应在前3阶谐振频率处均下降, 但在弯曲振动频段升高; 带内起伏减小。该参数可用于调整声学换能器的带宽和发送电压响应在带内的起伏, 尤其是第2阶谐振频率对应的发送电压响应的大小。

3 试验结果与分析

在空气介质和水域2种情况下对所研制的多谐振宽带声学换能器进行了性能测试, 结果如下。

3.1 空气介质中多谐振宽带声学换能器性能测试

用4294阻抗分析仪在空气介质中对该换能器进行了性能测试, 其结果如表1所示。可看出, 实测值与设计值之间在低频段相差较大, 在高频段具有较好的一致性。

3.2 水域介质中多谐振宽带声学换能器性能测试

3.2.1 谐振频率测试

用4294阻抗分析仪在水域对该换能器进行了性能测试, 其结果如表2所示。可看出, 在低频段, 实测值比设计值偏低, 并且与空气介质相比实测值变化很小, 但设计值变化较大, 逐渐与实测值靠近; 在高频段两者具有较好的一致性。

表1 空气介质中谐振频率实测值与设计值比较

表2 水域中谐振频率实测值与设计值比较

3.2.2 发送电压响应测试

使用水声自动化测量系统对多谐振宽带声学换能器的发送电压响应进行了测试, 其结果如图10所示。

从图10可以看出, 该声学换能器在12 kHz~ 42 kHz频段内的发送电压响应为141.5 dB~146.8 dB, 起伏5.3 dB; 设计值为140 dB~146.8 dB, 起伏6.8 dB; 将设计值与实测值相比, 设计值的频率偏高, 但发送电压响应具有较好的一致性。

3.2.3 发射指向性测试

使用水声自动化测量系统对多谐振宽带声学换能器在3个频率点(=14 kHz,=25 kHz,=40 kHz)上的发射指向性进行了测试, 其结果如图11所示。

由图11可以看出, 所研制的多谐振宽带声学换能器在频率=14 kHz时对应的–3dB束宽为76°, 在频率=25 kHz时对应的–3dB束宽为73°, 在频率=40 kHz时对应的–3dB束宽为38°。可根据具体要求通过调整声学换能器在壳体中的位置控制–3 dB束宽[3]。

4 结束语

文中对匹配层、双激励、弯曲振动等多种拓展复合棒声学换能器的技术进行了综合研究, 在对后压电晶堆、后质量块与预应力螺杆三者进行位移约束(使三者之间的相位基本一致)的条件下, 采用有限元方法设计计算了频带12 kHz~42 kHz的发射型多谐振宽带声学换能器, 并进行了试验验证。从理论计算和试验结果可看出, 所研制的声学换能器带宽可达到30 kHz以上, 发送电压频率响应大于140 dB, 带内起伏小于6 dB; 设计值与试验结果相比, 其低频段谐振频率高2 kHz左右, 发射性能与试验结果较为吻合。针对该多谐振声学换能器, 重点计算了匹配层厚度、中间质量块长度对其发射性能及频段的影响, 选择合适的匹配层厚度、中间质量块长度、压电陶瓷片尺寸等, 可获得更高的发送电压响应和大的频带宽度, 并在该频段内实现较为平坦的发送电压响应。另外可采取网络调谐和匹配技术使该类换能器的发送电压响应在带内的起伏可降到更小, 来实现多谐振宽带大功率发射[9]。针对该类换能器的发射指向性问题, 可根据实际需要, 通过控制声学换能器在壳体中的位置做适当调整。该项技术的综合应用可对拓展声呐基阵的工作带宽、提高整体发射性能[10]提供参考。

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(责任编辑: 陈 曦)

Design and Performance Analysis of a Multi-resonant Broadband Tonpilz Acoustic Transducer

TIAN Feng-huaSONG Zhe

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xiʹan 710075, China)

To broaden the working bandwidth of an acoustic transducer, improve its transmitting performance and reduce transmitting fluctuation, we designed a novel multi-resonant broadband Tonpilz acoustic transducer by using comprehensively the matching layer, the double exciting, the bending vibration, and slotting on the middle mass block, etc., employed the finite element method to conduct modal analysis of the transducer, and investigated the influences of the thickness of the matching layer and the size of the middle mass block on the performance of the transducer. Test verified that the working bandwidth of the transducer was 12 kHz ~ 42 kHz, the transmission voltage response(TVR) was greater than 140 dB, and the transmission voltage fluctuation in the frequency band was less than 6 dB. Calculation results were in good agreement with the test ones.

acoustic transducer; multi-resonant broadband; modal analysis; finite element method(FEM)

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.003

TJ630.34; TB556

A

1673-1948(2016)06-0412-05

2016-04-19;

2016-10-28.

田丰华(1981-), 男, 硕士, 高级工程师, 研究方向为鱼雷自导系统.