两种低频换能器结构性能有限元研究∗

孙玉臣 王德石 孙显鹏 朱爱军

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.91183部队 青岛 266100）

两种低频换能器结构性能有限元研究∗

孙玉臣1，2王德石1孙显鹏2朱爱军2

（1.海军工程大学 武汉 430033）（2.91183部队 青岛 266100）

在简要介绍水声换能器基本性能参数的基础上，通过ANSYS有限元仿真，计算出钹式及凹筒式低频换能器的结构参数，并进行了性能对比，为相关研究领域提供参考。

低频换能器；有限元；Cymbal；筒式换能器

1 引言

近年来，随着世界各国对海洋权益和资源开发的逐渐重视，水下声纳在国防军工、石油勘探、造船航运等领域的应用越来越广泛［1］，尤其是低频声纳，因其作用距离远［2］，正逐步成为研究的热门。换能器作为声纳系统的核心部件，其结构设计的进步也逐步加快，特别是钹式换能器，因其在同样性能条件下，比传统换能器体积小、重量轻、成本低、带宽大［3］，应用领域广泛［4～6］，得多诸多研究者的关注。本文使用ANSYS软件，通过对低频凹筒式换能器与钹式换能器的结构性能有限元分析，为开发新型小体积低频声纳换能器提供借鉴。

2 水声换能器主要性能指标

水声换能器的主要的指标有：工作频率、有效机电耦合系数、机械品质因数、电学品质因数、指向特性、导纳、发射效率、灵敏度等。其中，灵敏度、等效噪声压等性能指标是接收换能器专有的性能指标，等效噪声压对1μbar基准声压所取的分贝数，称作接收器的等效噪声声压级［7］。发射电压响应、发射效率等性能指标是接收换能器专有的性能指标，换能器的发射效率与其类型、材料、结构、工作频率等因素密切相关［8］。

3 钹式及凹筒式弯张换能器有限元模型

3.1 钹式换能器有限元模型

钹式弯张换能器是一种新型压电换能器，由两片钹式金属帽和一片极化过的压电陶瓷片经环氧树脂粘结而成［9］，有体积小、结构简单、重量轻的特点，可加工为接收换能器、发射换能器、收发共用换能器。结构如图1所示。

钹式发射换能器为轴对称结构，因此建立右半部分的轴对称有限元模型。计算中选用黄铜作为金属平顶锥壳的研究材料［10］。

取流体区域半径r=0.15m。划分网格得到一个包含一系列节点和单元的有限元模型如图3所示。

3.2 凹筒式弯张换能器有限元模型

凹筒式弯张换能器为上下对称结构，体积小、频率低、重量轻，外形结构适于组阵，在声呐低频领域应用前景广。海鹰公司蔡志恂等设计出了该型换能器［11］，水中实验发现，其谐振频率低于1kHz时，发射电压响应和声源级都能保持较高。其结构如图4所示。

建立凹筒式换能器右半部分的有限元模型，水中有限元模型如图5所示。

4 凹筒式换能器与钹式换能器性能对比

4.1 凹筒式换能器结构性能有限元分析

因凹筒式换能器曲率半径对带宽等性能参数几乎没有影响［12］，故当凹筒式换能器曲率半径与压电陶瓷晶堆高度之比为一常数时，选取硬铝为凹筒式换能器的凹板材料，上下两端质量块为钢块，压电陶瓷晶堆选用PZT-4材料。取三种尺寸换能器，其几何模型分别如图6（a）、（b）、（c）所示。

这三种凹筒式换能器结构参数如表1所示，仿真值与利用仿真进行的计算值分别如表2、3所示。

表中，fr为换能器谐振频率，Gmax为电导极大值，Bs为电纳极值，f(Bmax)为电纳极大值所对应的频率，f(Bmin)为电纳极小值所对应的频率，TVRmax为发射电压响应的极大值，Δf为频带宽度，Qm为机械品质因数，Qe为电学品质因数，keff为有效机电耦合系数，Req为等效电阻，Ceq为等效电容，Leq为等效电感。

由此可知，压电陶瓷片厚度一定时，压电陶瓷晶堆高度越大，发射电压响应越大，谐振频率越小。

4.1.1 凹筒式换能器导纳特性曲线分析

这三种凹筒式换能器的电导电纳曲线、导纳模值曲线、导纳圆图分别如图7～9所示。

表1 凹筒式换能器结构参数

表2 凹筒式换能器各性能参数仿真值

表3 凹筒式换能器各性能参数计算值

压电陶瓷片厚度一定时，压电陶瓷晶堆高度越大，导纳模值越大；压电陶瓷晶堆高度为40mm时，画不出导纳圆图，不能根据公式计算出机械品质因数、带宽等参数。

4.1.2 凹筒式换能器发射电压响应曲线分析

由图10可知，三种凹筒式换能器频率高于5kHz时，发射电压响应基本都高于120dB，最大值可达到145dB。发射特性良好，发射电压响应曲线波动不大。

4.2 钹式换能器结构性能有限元分析

为对比凹筒式与钹式换能器的性能，分析三种发射型钹式换能器的结构性能，其谐振频率凹筒式换能器相近，结构参数如表4所示，仿真值、计算值如表5～表6所示。

相近谐振频率条件下，钹式换能器与凹筒式换能器相比，有以下特点：1）带宽约900Hz，相对较窄。2）发射电压响应约120dB，声波的传播距离较小。3）有效机电耦合系数约0.14，能量转换效率较低。4）谐振频率均为11.15kHz时，凹筒式发射换能器最大外径为200mm，重量在2kg以上，而钹式换能器的最大外径仅为24mm，重量只有3g，体积较小，重量较轻，差别明显。

4.2.1 钹式换能器导纳特性曲线分析

三种钹式换能器的电导电纳曲线、导纳模值曲线、导纳圆图如图11～13所示。

表4 钹式换能器结构参数

表5 钹式换能器各性能参数仿真值

表6 钹式换能器各性能参数计算值

钹式换能器谐振频率为13.30kHz时，画不出导纳圆图，不能根据公式计算出机械品质因数、带宽等参数［13］；钹式换能器与凹筒式换能器相比，电导、电纳值小了三个数量级。

4.2.2 钹式换能器发射电压响应曲线分析

如图14所示，与凹筒式换能器相比，钹式换能器频率高于5kHz时，发射电压响应基本处于120dB以下，最大不超过125dB，且发射电压响应曲线波动相对较大。

5 结语

通过上述对凹筒式与钹式发射换能器的研究，获得了两种换能器的性能参数，结果表明两种换能器在发射方面各具优势。凹筒式换能器较钹式换能器发射电压响应曲线平坦，声压辐射能力更强；同样参数性能条件下，钹式换能器的结构更简单，体积更小，质量更轻，利于组阵。该研究结果为低频声纳装置的设计开发提供了一定借鉴。

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Finite Element Research on Structure&Capability of Low-frequency Acoustic Transducers

SUN Yuchen1，2WANG Deshi2SUN Xianpeng2ZHU Aijun2
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（2.No.91183 Troops of PLA，Qingdao 266100）

On the basis of brief introduction of acoustic transducer performance parameters，by finite element analysis of AN⁃SYS，the difference of cymbal&barrel-stave transducer in structure and capability is introduced in thiss essay，which can provide reference for related research field.

low-frequency transducer，finite element，Cymbal，barrel-stave transducer

P569

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.031

Class Number P569

2017年5月15日，

2017年6月19日

孙玉臣，男，硕士研究生，工程师，研究方向：水声换能器技术。王德石，男，博士生导师，教授，研究方向：机械振动、武器系统与运用。孙显鹏，男，工程师，研究方向：水下武器系统与保障。朱爱军，男，工程师，研究方向：水下武器系统与保障。