声源指向性仿真研究

吴 萌，李志远

（中国船舶集团第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

实际工作中要求声源尽量接近无指向性的状态，但是通过一些实测反馈得知，声源上安装的I型换能器在实际工作中指向性较为明显。因此有必要对I 型换能器的指向性进行仿真计算分析，掌握理论上的指向性情况之后,便于对声源进行优化改进。

声源的指向性表示声源辐射声强的空间分布。换能器指向性的计算通常采用有限元软件。哈尔滨工程大学的胡久龄[1]应用有限元软件ANSYS APDL 对于指向性障板圆管换能器的指向性进行了计算。吴曙光等[2]应用Comsol Multiphysics 计算了圆管式径向换能器的声压分布和指向性，同时仿真了换能器发射声波在混凝土中的传播。徐跃平[3]利用ANSYS 软件绘制网格同时计算谐响应得到换能器位移振幅，将网格和位移振幅导入边界元计算软件SYS NOISE 中，应用边界元的方法计算得到换能器的指向性。由于Comsol Multiphysics 具有建模简便、边界条件设置全面、可局部细化网格以及求解方式多样等优点，本文应用该软件进行发声器的指向性的计算。

本文建立了I 型换能器简化模型，计算其工作时的指向性，并与换能器指向性实测值进行对比；建立了I 型换能器声源实际安装条件的简化模型，计算其工作时的指向性。通过对比两次仿真结果，可以确定声源的拖体等对声场指向性的影响。

1 换能器简化模型的指向性仿真计算

1.1 模型建立与参数设置

首先对于单独的I型换能器进行指向性的计算。换能器总长度为390 mm，换能器上底座高度为70 mm，下底座高度为51 mm，腰鼓型换能器圆弧部分半径为335 mm。压电换能器简化模型如图1所示。

图1 压电换能器简化模型

换能器底座圆心位置为（42，0，1150）（单位：mm）。在进行指向性计算时，设置换能器工作在半径为5 m 的水环境中，如图2 所示。

图2 压电换能器工作水环境

计算过程中，换能器振动表面部分设置为环氧树脂，上下安装结构设置为钛合金。换能器工作在水环境中。材料的基本参数如表1 所示。

表1 材料相关参数

其次计算中水域应用到频域的压力声学物理场，换能器部分应用到固体力学物理场[4]。金属部分边界都设为绝对硬边界，声波按照球面波方式传播，设置远场半径为5 m 的球面为远场边界。换能器表面加xoy方向各向同性1 m·s-1的振速作为声源。

计算频率设置为500 Hz、630 Hz、800 Hz 以及1 000 Hz。文中展示了不同频率下换能器垂直指向性的计算结果。

1.2 垂直指向性计算结果

选择半径为1 m 的位置进行指向性计算。换能器垂直指向性计算结果如图3 所示。

图3 为单独换能器在水中的声场指向性仿真结果。可以看出，在工作频率范围内，换能器几乎都是无指向性的，符合使用要求。为验证仿真计算的准确性，接下来进行单独换能器指向性的测试。

图3 换能器垂直指向性

1.3 换能器垂直指向性实测结果

实测中，换能器布放深度为2 m，水听器在距离换能器1 m 的位置进行测试。换能器实物如图4所示。换能器发射单频信号，测试过程中以10°为间隔进行采样，整理换能器指向性测试结果如图5所示。

图4 换能器实物

图5为换能器垂直指向性测试结果。可以看出，仿真计算的理论值与实际测试结果很相近，在工作频段内都表现为无指向性，只在具体的数值上有细微差别，这主要是由测试环境与仿真环境的差别造成的。仿真计算理论结果与实测结果较为接近，因此可以认为，建立声源简化模型进行声场计算的方法是正确可行的。

图5 换能器指向性测试结果

2 声源的指向性仿真计算

2.1 声源基本结构建立

本文建立了一种简化的声源模型，如图6所示。

图6 发声器简化模型

其中，声源拖体长度、直径及壳体厚度等按照简化尺寸进行设置。圆柱中心位置为（0，0，0）。换能器模型大小同前，换能器与壳体接触的底座圆心安装位置为（42，0，1150）（单位：mm）。声源头部加透声性能良好的玻璃钢外壳。进行指向性计算时，设置声源工作在半径为5 m 的水环境内，如图7 所示。

图7 发声器工作水环境

2.2 仿真相关参数设置

计算过程中，换能器的材料设置同前，拖体头部透声罩为玻璃钢材料，声源其余部分按照钛合金材料考虑。拖体内部设置为空气环境，透声罩内部为水环境，声源工作在水环境中。环氧树脂、钛合金及水的材料参数如表1 所示，补充空气和玻璃钢材料参数如表2 所示。

表2 补充相关材料参数

再计算中空气域与水域应用到频域的压力声学物理场，拖体、换能器及透声罩部分应用到固体力学物理场。金属部分边界都设置为绝对硬边界，声波按照球面波方式传播，设置远场半径为5 m 的位置为远场边界。换能器表面加各向同性1 m·s-1的振速作为输入。

计算频率设置为500 Hz、630 Hz、800 Hz 以及1 000 Hz。分别计算声场的水平指向性和垂直指向性。

2.3 计算结果

2.3.1 水平方向计算结果

水平方向上，在z=1 300 mm 平行于xoy平面的平面选择半径为1 m 的位置进行水平指向性计算。发声器水平指向性计算结果如图8 所示。

图8 发声器水平指向性计算结果

由于水平方向上没有较大的障碍物，玻璃钢材料透声性能良好，因此并未表现出指向性，随着频率升高，声场能量略降低。

2.3.2 垂直方向计算结果

垂直方向上，在x=42 mm 平行于yoz平面的平面选择半径为1 m 的位置进行垂直指向性计算。结果如图9 所示。

图9 发声器垂直指向性计算结果

垂直方向上，由于拖体体积较大，半径为1 m的圆会与声源拖体产生一部分重叠，因此图9 中部分角度没有对应的指向性数据。对比图3 和图9可以看出，受拖体的影响，声源在各个频率下的指向性都有改变，在频率升高时由于波长变小，指向性变得更加不均匀[5]。当计算频率升高时，声场指向性最大值与最小值之间的差距显然更大。因此，探索在高频部分如何使声场指向性分布更为均匀，是值得重点关注的问题。

4 结语

本文利用有限元计算软件Comsol Multiphysics对声源的声场指向性进行计算。从指向性计算结果可以看出，声源水平指向性分布较为均匀，垂直方向受拖体影响指向性变化较明显；高频部分由于频率变高、波长变短，受拖体反射、散射等影响较大，声源指向性较复杂。

通常情况下要求声源无指向性工作，但是受换能器工艺水平、拖体反射与散射以及环境因素的影响，实际工作过程中往往无法达到这一要求，后续工作中将对如何降低声源的指向性进行探索。