低频大宽带超结构水声发射换能器研制

雷云中， 王 轲， 吴九汇

(西安交通大学 机械结构强度与振动国家重点实验室， 西安 710049)

近年来，随着声隐身技术的发展，安静型潜艇的辐射噪声级(1 kHz处)甚至已经低于海域内的背景噪声，大大增加了水下探潜的难度[1]。欧美国家开始尝试利用主动声呐进行远程主动探测，因此具有低频、宽带、大功率、深水、小尺寸等特性的水声换能器成为国内外学者研究的焦点。目前，主要利用弯曲振动、液腔共振以及电动式激励的方法[2-4]在低频范围内实现良好的水声发射。

利用弯曲振动的换能器包括弯曲板换能器[5]，弯曲圆盘换能器[6]，弯张换能器[7]等。虽然此类换能器多种多样，但是它们都是利用壳体的弯曲振动辐射声波，并且壳体具有辐射放大效应，因此能够以较小尺寸实现低频大功率的声发射[8-9]。此类换能器具有高品质因数，带宽窄的特点，因此目前大多数研究集中在拓展带宽方面。Porzio[10]发明了一种开槽圆柱弯张换能器，通过开槽圆柱引起的低频弯曲模态和高频“呼吸”模态之间的耦合，展现出比传统弯张换能器更宽的带宽。Si等[11]利用多模态耦合理论，提出了一种长轴加长型宽带弯张换能器。结果表明，通过延长长轴，可以调谐基频，二阶谐振频率和膜振动的谐振频率，从而拓宽换能器的带宽。但是利用弯曲振动的换能器要想实现1 kHz以下低频宽带工作，则往往需要很大的体积与质量。利用液腔振动的换能器，主要包括Helmholtz换能器[12]和谐振腔换能器[13]等。此类换能器虽然能够实现1 kHz以下水声发射，但其尺寸和质量很大。

电动式换能器通常利用交流线圈在磁场中的反作用力驱动活塞向水中辐射声能，是甚低频段宽带、大功率换能器的首选类型。美国USRD研制的J9、J11、J13、J15系列标准声源就属于动圈式发射换能器[14]。英国G&W公司生产的UW350超低频声源和UW600高功率超低频声源是低频大功率动圈发射换能器的典型代表，主要用于声纳靶标系统、校准测试系统等。其中UW350的质量约100 kg，标称工作频段20～20 000 Hz，频带内平均声源级165 dB；UW600的质量达到1 070 kg，最低工作频段可达4～1 000 Hz，最高声源级可达188 dB。卢苇[15]设计出了两款工作频率分别为71～82 Hz和10～200 Hz的水下低频声源。71～82 Hz声源最大直径为320 mm，总质量为45 kg，试验测得水下最大声源级为184 dB；10～200 Hz声源整体结构直径216 mm，长度620 mm，总质量为28 kg，试验测得工作频带内声源级最高为168 dB，最低为145 dB。桑永杰[16]经过优化设计，最终制作出了一款可以在20～500 Hz频段内实现宽带发射的电动式换能器样机，样机最大外径为240 mm，总长度665 mm，质量35 kg，工作频带内平均声源级约为162 dB。范进良等[17]研制出可以在5～1 000 Hz进行水声发射的电动式换能器，长度1 400 mm，总质量为900 kg，其声源级最大183.5 dB，最小169.5 dB。

综上常用的低频换能器，利用弯曲振动和液腔共振实现工作频率1 kHz以下低频大宽带振动时，其体积、质量都非常大。电动式换能器在小尺寸下带宽较窄，宽带情况下体积较大。Liu等[18]提出局域共振型声学超结构的概念，利用单元特征长度为2 cm的结构能产生了400 Hz左右的低频带隙，实现了小尺寸控制大波长。本文对声学超结构应用于水声发射换能器解决上述问题进行了研究，章节安排如下：在第一章揭示了超结构水声换能器核心部件——辐射盖板的局域共振声辐射机理和多单元协同耦合声辐射机理。第二章中基于水声换能器的组成元件：辐射盖板，驱动元件和外壳，设计出一种新型小尺寸低频宽带超结构电动式水声发射换能器并进行参数优化。在第三章通过试验测试对换能器的发射电流响应进行验证，证实换能器在40～1 050 Hz内具有相对比较良好的发射响应，平均发射电流响应约为146 dB。

1 超结构水声换能器核心部件——辐射盖板的声辐射机理

1.1 基于等效零质量的局域共振声辐射机理

本文提出的超结构辐射盖板由附加质量单元、肋板和薄圆板三部分组成，如图1所示。其力学简化模型及等效单质量模型如图2所示，其中附加质量单元相当于散射体m2，附加质量单元与薄圆板直接相连的区域为附加质量单元提供刚度k2，薄圆板与肋板部分相当于基体m1，等效质量meff的定义为在相同外部载荷下等效模型中的质量块能产生与力学简化模型中m2相同的运动时的质量。

(a) 上部视图

图2 超结构辐射盖板力学简化模型及等效单质量模型

对于局域共振型声学超结构来说，其等效质量密度我们可以通过以下计算得到。

由图2可知，力学简化模型为两自由度系统，其运动微分方程为

(1)

设其谐波激励和稳态响应为

(2)

则由式(1)和式(2)可得

(3)

由等效单质量模型可得

(4)

由于xeff≡x1,则有

(5)

解得

(6)

1.2 基于多单元协同耦合的声辐射机理

在吸声领域中，非对称膜类声学超结构协同耦合吸声机理[19]是指在吸声结构中引入新的质量单元，产生新的模态，通过单元之间的相互耦合在原吸声峰之间的低谷处产生新的吸声峰，每个峰值都有一定的带宽，相邻峰值之间的带宽相连使得整个频段的吸声曲线变得平缓，带宽明显拓宽。

因此，为了使超结构辐射盖板可以产生多重局域共振以拓展带宽，在超结构辐射盖板上再增加三处高度不同的附加质量单元，各附加质量单元位置之间呈90度夹角分布。使之成为四单元协同耦合的超结构辐射盖板，如图3所示。本文采用COMSOL Multiphysics软件对图3进行有限元仿真分析验证上述理论。辐射盖板材质为钢，杨氏模量E=1.95×1011Pa，泊松比为0.247，密度为7 900 kg/m3，盖板半径为100 mm，厚度为2.5 mm，各附加质量单元是对应圆心角为20°的圆环，内外径之差为15 mm，内径为80 mm，各附加质量单元的高度分别为8 mm,20 mm,35 mm,60 mm，斜肋的长度为94 mm，宽度为5 mm，最大高度为4 mm。对肋板中心圆形区域施加简谐力激励，考虑到力的幅值与声压级基本呈线性关系而不影响整个频段的变化趋势，因此力的幅值设定为200 N，圆板的边界条件设定为自由边界。通过特征频率分析和频域分析得到图4的振型和图5的距声中心1 m处的辐射声压级。作为对比，对单个附加质量单元超结构(保留高度为60 mm的质量单元)，两单元协同耦合超结构(保留高度为60 mm和20 mm的质量单元)进行特征频率分析得到图6和图7的振型。对无附加质量单元无肋板结构，无附加质量单元有肋板结构，单个附加质量单元超结构(保留高度为60 mm的质量单元)，两单元协同耦合超结构(保留高度为60 mm和20 mm的质量单元)，四单元协同耦合超结构五种不同结构进行仿真得到1 m处辐射声压级如图8所示。

图3 四单元协同耦合超结构辐射盖板模型

(a) 30 Hz

图5 四单元协同耦合超结构的1 m处辐射声压级

从图4，图6和图7可以看出，超结构辐射盖板在30 Hz处沿轴向产生较大位移，分析可知，在该频率处，结构整体发生共振，辐射盖板具有比较明显的整体振动位移。结合图4，图6和图7的振型图我们可以看出，图4中210 Hz和310 Hz处的振型与其他两种结构的振型相似，可以认为，虽然附加质量单元数目有所增多，但210～310 Hz频段内的共振增强仍由较高的附加质量单元决定。而其余各个局域共振增强位置处的振动状态则变得更加复杂，基本上由多个质量单元共同决定。两单元协同耦合超结构辐射盖板与单个质量单元超结构辐射盖板相比在650 Hz和930 Hz处产生新的局域共振，从而拓展了带宽，但由于对应频率相距较大，使得带宽内声压级起伏较大，为了解决这一问题，再引入两个不同高度的质量单元形成了图3所示的四单元协同耦合超结构辐射盖板以获得更多的局域共振振型。图4中，在210 Hz、310 Hz、480 Hz、610 Hz、740 Hz、840 Hz和1 010 Hz处发生了局域共振，因此在图5中这些频率对应的1 m处辐射声压级为极大值，通过不同峰值之间的耦合，结构在40～1 050 Hz频段内表现出较好的声辐射性能，声压级上下起伏不超过±3 dB。从图8中可以看出，和无附加质量单元无肋板结构的声辐射频带相比，无附加质量单元有肋板结构±3 dB频段由40～370 Hz增加到了40～520 Hz，拓宽了约41%，和前两种无附加质量单元的结构相比，单个附加质量单元超结构辐射盖板频带明显得到了进一步拓宽，增加了约50 Hz。和前三种结构相比，两单元协同耦合超结构使换能器的工作频带进一步明显拓宽，±3 dB频段由最初的40～370 Hz增加到了40～980 Hz，和两单元结构相比，四单元协同耦合超结构辐射盖板将±3 dB频段最终延伸到40～1 050 Hz，±3 d带宽1 010 Hz。

(a) 30 Hz

(a) 30 Hz

图8 五种不同结构的1 m处辐射声压级

通过上述分析可知，结合局域共振声辐射理论和多单元协同耦合声辐射理论设计出的四单元协同耦合超结构辐射盖板可以实现在1 kHz以下大宽带水声发射。

2 超结构述水声发射换能器的设计与优化

2.1 超结构水声发射换能器结构设计

基于辐射盖板的具体结构以及相关材料的选型，考虑到实际安装参数，建立的超结构水声发射换能器总装模型如图9所示。电动式激励部分主要由线圈及其骨架、永磁材料和软磁材料组成。本文采用了一种新型磁路形式，内外双线圈在各自的磁隙中分别可以产生推动力，输出的力在线圈骨架上同向叠加，从而在有限空间内可以显著提高输出力。考虑到永磁材料中牌号为N38SH的钕铁硼材料具有优异的磁性能，软磁材料中牌号为DT4C的电工纯铁具有制作性价比高，矫顽力低，饱和磁感高磁性能稳定又无磁时效对的优点，本文选取DT4C作为软磁材料，在磁路中与永磁材料N38SH相互配合形成磁回路。其工作原理为：在DT4C和N38SH形成的稳定磁回路中，当向缠绕在骨架上的双层多匝线圈中通以一定频率的交变电流时，线圈则会产生同频率方向交替变化的安培力，在该力的推动下，换能器辐射盖板产生往复振动，从而推动水介质向外辐射声能量，以实现低频宽带水声辐射的目的。在基座的尾端带有直径10 mm的通气孔，通过通气孔可以外接气泵，从而为换能器结构内部提供压力保障，所以，换能器也可以在一定深水压下进行工作。

1. 前壳体； 2. 密封垫圈； 3. 辐射盖板； 4. 连接件； 5. 紧固螺母； 6. 中间壳体； 7. 线圈骨架； 8. 软磁环-外； 9. N38SH永磁体； 10.铝垫块； 11. 螺旋弹簧； 12. DT4C软磁体； 13. 线圈； 14. 基座

2.2 超结构水声发射换能器核心部件—辐射盖板参数优化

图10为四单元协同耦合超结构辐射盖板，辐射盖板的材质为钢，杨氏模量为1.95×1011Pa，泊松比为0.247，密度为7 900 kg/m3。圆板半径为100 mm，厚度为b，各附加质量单元是对应圆心角为20°的圆环，内外径之差为15 mm，内径为a1、a2、a3、a4，高度分别为h1、h2、h3、h4，各附加质量单元位置之间呈90°夹角分布。斜肋的长度为94 mm，宽度为5 mm，最大高度为4 mm。接下来将探究圆板厚度，附加质量单元位置和附加质量单元高度对结构辐射性能的影响。通过发送电流响应来反映换能器的辐射特性。发送电流响应的定义为：在换能器声轴方向上，距其等效声中心1 m远处所产生的球面波自由场声压与其输入的电流之比，可表示为

(7)

图10 辐射盖板结构及其相关参数

式中，p(1)为距等效声中心1 m远处的球面波自由场声压；i为所加电流。

其分贝表示为

(8)

式中，Si0为电流响应基准值1 μPa/A。

首先探究了圆板厚度对结构声辐射性能的影响。图11绘制了10～1 500 Hz下不同圆板厚度b对应的发射电流响应。分析可知，当圆板厚度b增大时，±3 dB声辐射带宽能够明显增加。这是由于当辐射面厚度增加时，薄板的刚度增大，因此结构共振频率向高频移动引起结构整体的声辐射带宽相应增大。在驱动力不变的情况下，整体质量增大使结构的振动加速度的表面振速相应有所减小，从而使结构的发射电流响应幅值随着辐射面厚度的增大有所降低。

图11 不同圆板厚度下的发射电流响应

图12绘制了10～1 500 Hz下不同附加质量单元到结构中心的距离a对应的发射电流响应。分析可知，附加质量单元越靠近辐射面边缘位置，±3 dB声辐射带宽的增幅越大，声压级幅值增强也越突出。这是由于随着薄板边缘处所附加的质量逐渐增加，无斜肋区域增大，更易在低频处激发处局域共振振型，从而使各个局域共振之间的宽带耦合特性也愈明显，因此结构的±3 dB声辐射带宽和发射电流响应都会相应地增大。

图12 不同位置处的发射电流响应

图13绘制了10～1 500 Hz下不同附加质量单元高度h对应的发射电流响应，分析可知，当附加质量单元高度增加时，该位置处由于局域共振引起的发射电流响应峰值将向更低频处移动。这是由于该位置处等效质量增大，而等效刚度几乎不变，从而使局域共振的发生频率左移。考虑到不同频率间隔的局域共振峰之间的耦合结果有所不同，因此为保证辐射声压级的低频特性和±3 dB的宽带特性，应该选择合适的附加质量高度。

图13 不同附加质量单元高度的发射电流响应

3 超结构水声换能器的制作与试验验证

通过上述超结构辐射盖板参数对声辐射性能的影响，经过优化改进，并考虑到实际装配工艺要求，最终确定出四单元耦合超结构辐射盖板的参数为：材质为钢，板厚b=2.5 mm，各质量单元高度分别为h1=8 mm、h2=20 mm、h3=35 mm、h4=60 mm，内径a1=a2=a3=a4=80 mm，斜肋的长度为94 mm，宽度为5 mm，最大高度为4 mm。结合图9的装配模型，制作了图14中的超结构水声发射换能器。辐射盖板与70A橡胶制成的密封垫相连进行水密，通电线圈采用线径1.25 mm的电磁纯铜漆包线，铜线外包覆有聚酯亚胺涂层，缠绕于铝合金线圈骨架上，并将线圈骨架与连接件固定，线圈磁路部分主要由永磁体N38SH和软磁体DT4C组成。65Mn弹簧钢制成的螺旋弹簧其刚度为25 N/mm，保证了谐振频率在30 Hz。尺寸参数取线径5 mm，中径27 mm，高度92 mm，壳体尾部留有一个通气孔，作为加压测试时外接气泵来平衡换能器内外的压力差。最终确定的超结构水声发射换能器样机，总长240 mm，安装最大直径400 mm，总质量约46 kg。

图14 超结构水声发射换能器实物图

该超结构水声发射换能器在西北工业大学水声科学与技术重点实验室(200 m×8 m×7 m)的消声水池中进行了测试。测试系统布局示意图如图15所示，换能器和水听器之间设置1 m的距离，以确保远场条件。采用连续脉冲信号作为激励源，以减小水池的声反射。

图15 测试系统布局示意图

图16显示了试验和有限元仿真得到的发射电流响应。可以看出，在40～1 050 Hz内，试验测试结果与理论仿真在共振频率处有较好的一致性。而发射电流响应的差异可以解释为超结构辐射盖板在加工过程中存在误差。这说明辐射盖板在低频位置处发生局域共振，并且在多单元协同耦合下，超结构水声发射换能器可以在小尺寸下实现40～1 050 Hz内的大功率辐射。

图16 试验和有限元仿真结果

4 结 论

(1) 基于声学超结构中的等效零质量特性，设计出了一种超结构水声发射换能器的核心部件—辐射盖板，揭示了局域共振声辐射机理和多单元协同耦合声辐射机理。

(2) 借助多物理场耦合仿真分析发现通过等效零质量特性可以实现低频大功率的水声发射，通过多单元协同耦合理论可以实现工作频带的拓宽。

(3) 基于超结构声辐射机理，设计了一种超结构水声发射换能器，通过改变结构尺寸参数，可以很容易在1 kHz以下实现大宽带的水声发射。

(4) 通过有限元计算和试验测试证实此换能器可以在直径为400 mm，高度为240 mm，总重为46 kg下，平均发射电流响应在40～1 050 Hz内达到146 dB。

本文提出的新型小尺寸低频大宽带超结构水声发射换能器为水声换能器结构的发展和改进提供了一种有效的新思路，在低频宽带水声换能器领域具有一定的应用前景。