碟形纵弯换能器研究

杨斌颖 王艳 刘振君 付昌

(上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

随着水声装备的不断发展，各研究机构对低频大功率声源的需求越来越迫切[1]。目前常用的发射换能器类型主要包括镶拼圆环换能器、Tonpilz换能器、弯张换能器、弯曲圆盘换能器等。典型的有中科院声学所研制的鱼唇式弯张换能器，谐振频率可以从100 Hz覆盖到1.8 kHz，单只换能器谐振频率下声源级在190 dB以上[2-3]；中船重工第七二六研究所研制的弯曲圆盘换能器，在尺寸140 mm时，谐振频率为1.7 kHz。从各类型低频换能器的性能比较来看：圆环换能器结构简单，耐压能力适中，但尺寸相对较大；Tonpilz换能器装配简单，发送电压响应较高，但具有明显的指向性；弯张换能器尺寸小，但耐压性能较差，工作带宽窄；弯曲圆盘换能器一般需要组合使用，尺寸和耐压能力适中，工作带宽较窄。可以看到，各类型的换能器在尺寸、带宽、耐压能力等方面各有自身的优势和不足。在某些特定的使用环境和性能指标下，以上几种换能器或许不能满足需求。

碟形纵弯换能器是一种具有特殊结构的换能器，尺寸与镶拼圆环换能器相当时，谐振频率介于弯张换能器和镶拼圆环换能器之间，带宽和耐压性能均优于弯张换能器，且具备大功率发射能力。特别地，与传统换能器相比，碟形换能器装配工艺简单，无需使用聚氨酯水密，更适合长时间在水下布放。本文介绍了碟形纵弯换能器的基本结构及工作方式，通过有限元软件分析了换能器的振动模态和电声性能，根据碟形纵弯换能器的振动模态和辐射特性对换能器结构进行了优化，研制了一款发射功率较大、工作带宽较宽的换能器样机。

1 换能器基本结构

碟形纵弯换能器主要包括壳体和驱动振子两部分，如图1所示。其中驱动振子由压电陶瓷堆组成。驱动振子两端分别与上下壳体内表面连接，上下壳体通过螺杆紧固，形成空气被衬结构。换能器工作时，对驱动振子加电激励，驱动振子沿轴向作伸缩运动，金属块将位移传递给上下壳体，带动壳体作纵弯振动。

图1 碟形纵弯换能器结构示意图

2 仿真分析

本文采用有限元软件对碟形纵弯换能器的模态和电声性能进行了仿真计算。根据换能器自身的轴对称结构，在局部模型上施加对称边界模拟完整结构。换能器壳体选用密度相对较小的硬铝材料，驱动振子选用PZT-4压电陶瓷，过渡金属块则选用应力极限较大的不锈钢材料。

2.1 换能器主要模态

对碟形纵弯换能器进行模态分析，得到换能器的振动模态如图2所示，该模态为壳体的纵弯振动模态。换能器壳体与驱动振子振动相位一致，无反相区，在该振动模态下，换能器能得到较高的电声效率。这是换能器的主要工作模态。

图2 一阶纵弯振动模态

2.2 电声性能分析

通过对换能器的有限元模型进行谐响应计算分析换能器的声辐射特性。图3为优化后的换能器样机在空气中的电导曲线，空气中谐振频率为2.65 kHz，谐振点电导值7 mS。

图3 空气中电导曲线

图4～5为仿真得到的换能器水中电导曲线和发送电压响应曲线，谐振频率为1.8 kHz，谐振点电导691 μS，发送电压响应138.3 dB，在1.5～3 kHz频段内起伏小于3 dB。

图4 水中电导曲线

图5 发送电压响应曲线

3 换能器制作与测试

实际制作的碟形纵弯换能器如图6所示，直径340 mm，高320 mm，重量约12 kg。

图6 换能器样机

换能器样机在莫干山实验站完成了测试，待测换能器和水听器均被放置在水下15 m处，并保持收发距离满足远场条件。图7为换能器水中电导曲线仿真结果和测试结果对比情况，测量得到换能器的谐振频率为1.8 kHz，谐振点电导值为612 μS。电导曲线的走势与仿真结果基本一致，只是数值上存在一定差异，可能原因是压电陶瓷的实际性能参数与仿真设置的性能参数有差异。

图7 水中电导曲线对比

图8为换能器发送电压响应与仿真结果对比情况，1.8 kHz时换能器发送电压响应达到最大值138 dB，在1.8～4 kHz频段内，换能器样机的测试值与仿真结果吻合较好；特别是在1.5～3 kHz频段内，换能器的发送电压响应起伏小于3 dB，达到了最初设计目标。从电导曲线和发送电压响应曲线可以看出，换能器样机的带宽较宽，发送电压响应略低于仿真值，而且在低频段更为明显。可能的原因有两个：一是换能器装配时无法保证驱动振子、上下壳体这三部分完全同心，换能器不是一个完全对称结构，这将引起振动耦合，导致换能器带宽变宽；另一个是驱动振子和上下壳体需要很好的机械配合，实际操作中很难保证驱动振子和壳体完全刚性连接，导致传递效率下降，发送电压响应变低。

图8 发送电压响应曲线对比

图9为换能器声源级测试结果，施加电压有效值1.3 kV，谐振点声源级为200.3 dB，在1.5～3 kHz频段内声源级大于196 dB。

图9 声源级测试曲线

图10～11分别为换能器在谐振频率1.8 kHz时的水平和垂直指向性图。可以看到换能器在谐振点处具有全指向性。

图10 水平指向性图

图11 垂直指向性图

4 结论

本文设计并制作了一款碟形纵弯换能器，这种新型结构的换能器具有装配工艺简单、谐振频率低、工作频带宽、发射功率大等优点，适于用作低频大功率声源。后续工作将对换能器的结构和材料作进一步的优化设计，并对换能器的耐压性能进行研究。