3种辐射头水声宽带换能器设计及布阵技术应用

田丰华, 刘亚盈, 何文峰



3种辐射头水声宽带换能器设计及布阵技术应用

田丰华, 刘亚盈, 何文峰

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075)

为了充分利用声纳的布阵空间, 增加辐射面积, 从而提高声纳基阵的整体性能, 采用了有限元分析方法, 借助ANSYS软件设计了圆形、方形和六边形辐射头水声宽带换能器。在辐射面积、压电元件和长度等要素相同的条件下, 仿真计算了3种不同形状的辐射头对水声宽带换能器谐振频率、发送电压响应、自由场电压接收灵敏度和收发频带宽度等性能的影响, 并对结构进行了优化; 研制了3种不同形状辐射头换能器并进行了水池试验, 测试结果与计算结果具有较好的一致性。最后, 在声纳开窗尺寸相同的情况下, 对3种换能器的布阵效果进行了研究。

水声宽带换能器; 电声性能; 有限元方法

0 引言

声纳基阵的设计主要解决2类问题[1]: 一是对目标进行定位、定向和测速; 二是提高空间处理增益, 改善接收机输入端的信噪比。众所周知,解决上述问题, 简单有效的方法之一就是增加声纳基阵的阵元个数, 提高辐射面积。而在鱼雷开窗尺寸限定的情况下, 增加阵元个数和提高辐射面积是研究的瓶颈。本文针对这一问题, 研制了圆形、方形及六边形辐射头水声宽带换能器, 根据不同的开窗尺寸, 选择合适的辐射面形状, 为后续声纳基阵研制提供参考。

1 设计原理及波束分析

目前水声换能器的设计主要借助有限元理论、边界元理论和机电耦合理论作为理论指导[2-3], 本节从工程应用的角度, 简要介绍水声换能器的设计理论和与声纳技术指标相对应的电声性能。

1.1 水声换能器的设计原理

有限元法(finite element method, FEM)属于力学分析中的数值法, 它能解决换能器设计中的许多实际问题, 不需要对任何结构形状的换能器做简化假设。有限元方法所依据的能量变分原理的数学表达式为

其中,表示拉格朗日函数, 且

=-(-)+(-) (2)

其中:表示系统的动能;表示弹性应变能;表示外界机械力所做的功;为电场中的电能;为外界电场力所做的功。

具有线性行为的压电材料, 满足-型压电方程

=CS-(3)

=T+(4)

如果选择3D单元, 则上式为6×1阶应力矩阵;为3×1阶电位移矢量;为6×1阶应变矢量;为3×1电场矢量;为电场恒定时压电材料各向异性的6×6弹性矩阵;为6×3压电系数矩阵;为恒应变下的3×3阶介电系数矩阵;上角标T表示转置矩阵

(-2)=(5)

T+CV=(6)

式(5)表征机械载荷力与机电耦合力作用下的动力学方程。式中：为总刚度阵;为总质量阵;为系统位移向量;为机电耦合向量;为电极面上的电势。式(6)则表征外电场与机电耦合作用下的电路状态方程,为电极面上的自由电荷电量。

考虑界面处能量损耗的声波离散方程

结构动态有限元方程

其中,为载荷力向量。

考虑损耗的声波离散方程和结构动态有限元方程, 得到完整的流体-结构耦合问题的有限元法离散方程

边界元法是将区域上的控制方程转化为沿区域边界的积分方程, 只需定义边界上的单元再结合边界条件求解, 边界元理论是建立在有限元理论基础上。一般情况下, 完整的声学装置先用有限元理论设计水声换能器, 然后应用边界元理论设计基阵。机电耦合理论主要用于推导水声换能器的性能指标, 以简化模型。

1.2 水声换能器的波束分析

水声换能器的电声性能主要包括谐振频率、反谐振频率、导纳及有效机电耦合系数发送电压响应以及自由场电压接收灵敏度等, 这里仅推导了工程应用中波束修正的设计计算公式。

波束计算修正

2 3种辐射头水声换能器有限元计算

为了提高声纳基阵的整体性能, 结合工程实际设计了3种辐射头的水声换能器[4-5], 除了辐射头的形状各不相同外, 其他条件均相同。应用有限元计算, 分析了每一种换能器的电声性能。本文重点从空气介质和水域介质两方面对3种不同形状辐射头水声换能器进行深入分析, 对其在声纳系统应用中所关心的整体性能指标进行了研究。

2.1 空气介质中3种辐射头换能器性能

主要分析了3种水声换能器的导纳变化规律, 结果如图1所示，其作用在于控制辐射头水声换能器的谐振频率以及阻抗特性, 为水域介质中的换能器频段分析提供参考。

2.2 水域介质中换能器的性能

建立了3D流体模型, 在15 ~25 kHz频带内, 理论计算了3种辐射头水声换能器的发送电压响应, 给出了发送电压响应-频率曲线, 如图2所示。利用机电耦合、弹性力学等理论, 计算了3种辐射头水声换能器的自由场电压接收灵敏度, 其结果如图3所示。

图1 空气介质中3种辐射头换能器导纳-频率曲线

图2 3种辐射头水声换能器发送电压响应-频率曲线

图3 3种辐射头水声换能器自由场电压接收灵敏度-频率曲线

Fig. 3 Receiving sensitivity-frequency curves of free fie- ld voltage of transducers with three different shape of radiator

计算了3种辐射头水声换能器在=19 kHz时的指向性, 由于3种辐射头水声换能器的计算结果比较类似, 这里仅给出了六边形辐射头水声换能器的指向性曲线, 如图4所示。从水域介质中3种辐射头水声换能器的仿真结果可以看出前盖板形状的变化对该换能器电声性能的影响。在其他尺寸限定的情况下, 通过调节换能器前盖板的形状仍可使水声换能器的性能有很大提高。

图4 六边形辐射头换能器在f=19 kHz时的指向性图

同时通过调整预应力螺杆的尺寸在一定程度上也可以改善水声换能器的性能。在声纳基阵中, 通过该方法可以改善整个基阵的性能。

3 试验验证

本文通过理论计算和仿真设计了3种不同辐射头水声宽带换能器, 即圆形、方形和六边形辐射头换能器, 其测试结果如下。

3.1 空气介质中3种辐射头换能器性能测试

用4194A阻抗分析仪在空气介质中对3种换能器进行了性能测试, 其结果如表1所示。

表1 3种辐射头换能器在空气介质中的性能

在正常大气压下, 3种辐射头换能器均可以耐 2 700 V/min的直流高压，通过的电流峰峰值1.1 A。

3.2 水域介质中3种辐射头换能器性能测试

3.2.1 电导及阻抗测试

分析了3种不同形状辐射头水声宽带换能器在水域介质中的电导及阻抗分布, 其结果如图5和图6所示。其作用在于控制3种辐射头水声宽带换能器的谐振频率以及阻抗特性, 为换能器工作频段选择及匹配提供参考。

图5 水域介质中3种辐射头水声宽带换能器电导-频率曲线

图6 水域介质中3种辐射头水声宽带换能器阻抗-频率曲线

从图5和图6可以看出, 3种辐射头水声宽带换能器的谐振频率分别为17.5 kHz, 18 kHz, 18.5 kHz。方形辐射头水声宽带换能器的阻抗较大, 圆形辐射头和六边形辐射头水声宽带换能器的阻抗相当。

3.2.2 发射性能测试

使用水声自动化测量系统测量原理样阵的发射性能。对3种辐射头水声宽带换能器进行了发射性能测试, 其结果如图7所示。

图7 3种辐射头水声宽带换能器发送电压响应-频率曲线

从图7可以看出, 在其他条件基本相同的情况下, 3种不同形状辐射头水声宽带换能器的发送电压响应相差很小, 其变化规律基本相同。

3.2.3 发射指向性测试

图8 六边形辐射头水声宽带换能器在极坐标系下的接收指向性图

图9 圆形辐射头水声宽带换能器在极坐标系下的接收指向性图

3.2.4 接收性能测试

使用水声自动化测量系统测量原理样阵的接收性能。水声自动化测量系统接发射换能器, 发射单频脉冲信号, 滤波放大器接收原理样阵中每个阵元输出的信号。其接收灵敏度测试结果见图11。

由图11看出, 3种辐射头水声宽带换能器的自由场电压接收灵敏度差异较小, 圆形辐射头水声宽带换能器的接收灵敏度较高, 方形辐射头水声宽带换能器接收灵敏度的-3 dB带宽较宽, 六边形辐射头水声宽带换能器的接收性能居两者之间。

图10 方形辐射头水声宽带换能器在极坐标系下的接收指向性图

图11 3种辐射头水声宽带换能器自由场电压接收灵敏度-频率曲线

4 布阵分析

本文结合特定声纳基阵的开窗尺寸, 在特定的频段, 对3种换能器进行了布阵研究。从阵元个数方面分析, 该声纳基阵所能容纳的六边形辐射面的阵元个数是方形的1.25倍, 是圆形辐射面阵元个数的1.1倍; 从整个基阵的辐射面积方面分析, 六边形辐射面的基阵辐射面积是方形辐射面基阵辐射面积的1.1倍, 是圆形辐射面基阵辐射面积的1.2倍; 从整个基阵的阵列方面分析, 六边形辐射面的基阵比圆形辐射面的基阵增加了1列, 比方形辐射面的基阵增加了2列。

从以上分析可以看出, 本文所研究的声纳基阵中, 在满足技术要求的条件下, 六边形辐射头的阵元对整个基阵的性能从阵元个数、辐射面积及波束方面贡献较大, 针对该声纳基阵而言, 优先选用六边形辐射头的水声宽带换能器。

5 结束语

本文从理论设计、仿真计算和试验验证3个层面对3种不同形状辐射头水声换能器进行了研究; 从基阵辐射面积、阵元个数和阵列方面对3种辐射头水声宽带换能器的布阵方面进行了分析[6]。总结了前盖板的形状及预应力螺杆的变化对水声换能器性能的影响。

通过试验可知, 圆形辐射头水声宽带换能器的谐振频率最低,-3 dB束宽最窄; 方形辐射头水声宽带换能器的谐振频率最高,-3 dB束宽最宽, 阻抗最大; 六边形辐射头水声宽带换能器的谐振频率和束宽位于其中; 三者的发射、接收及功率容限等性能差异较小, 这与理论及仿真计算结果得到的结论比较一致。其中, 3种辐射头水声宽带换能器的阻抗及相角与理论设计值差别较大。其布阵分析, 对声纳基阵的发展具有重要的指导意义, 为后续基阵的研制提供参考。

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Tian Feng-hua, Lü Lin-xia, Qian Jian-ping, Finite Element Analysis and Dynamic Simulation of Cymbal Transducer[J], Torpedo Technology, 2007, 15(3): 51-54.

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Design on Underwater Broadband Acoustic Transducer with Three Different Shape of Radiator and Its Application to Sonar Array Arrangement Technology

TIAN Feng-hua, LIU Ya-ying, HE Wen-feng

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

Underwater broadband acoustic transducers with round, square and hexagonal radiators are designed by using finite element method and software ANSYS to make full use of sonar array space, increase radiant area and hence improve overall characteristics of a sonar array. Under the conditions of same radiant area, piezoelectric elements, and length of transducers, etc., the influences of the radiators in the above three shapes on the resonance frequency, transmitting voltage response, receiving sensitivity of free field voltage, and receiving/transmitting frequency bandwidth of underwater broadband acoustic transducers are simulated, and the transducer structure is optimized. The transducers with the three shapes of radiators are fabricated and tested in a tank, respectively. The test results agree well with the calculations. In addition, the effectiveness of three arrangements of acoustic transducers is evaluated for same sonar window dimension.

underwater broadband acoustic transducer; electroacoustical characteristics; finite element method(FEM)

TJ630.34; TB565.1

A

1673-1948(2012)05-0348-05

2011-12-07;

2012-03-27.

田丰华(1981-), 男, 工程师, 研究方向为鱼雷声学装置.

(责任编辑:杨力军)