基于ATILA的宽带超磁致伸缩纵振换能器设计

李宽，蓝宇，李琪

(哈尔滨工程大学水声技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150001)

目前国内使用较成熟的换能器分析软件，无法对磁致伸缩类型的换能器直接进行建模分析，例如ANSYS有限元软件，它不具有解决磁致伸缩机电耦合问题的模块，而是通过压电-压磁比拟法进行类比计算的［1］，并且很多计算结果还要进行适当的转换，过程相对繁琐，容易出错.作为国内新引进的专业换能器分析软件，ATILA对于此类问题的分析优势明显，国外使用此软件解决各类换能器问题已有多年经验［2］，但在国内还只是刚刚起步.如何利用好ATILA有限元软件对换能器进行准确有效的分析，发挥出其优异的性能，是目前需要研究的课题.稀土超磁致伸缩材料TbxDy1-xFe2-y，具有较低的各向异性，并可以获得较大的磁致伸缩系数［3］.这种材料的应变比压电陶瓷的大4倍以上，能量密度比压电陶瓷的大10倍以上，并且杨氏模量较低，因此常被用于设计低频、大功率水声换能器［4-5］.其中，应用最多的是结构相对简单、性能稳定的纵振式换能器.欧美一些国家设计出了不同结构形式的超磁致伸缩纵振换能器［6-7］，近些年，国内很多研究机构也进行了相关研究［8-9］，结果均显示了其在中低频段具有优良的性能.本文利用ATILA有限元软件建模并计算了一个稀土超磁致伸缩材料作为驱动元件的纵振换能器，通过纵向振动和弯曲振动耦合实现宽频带发射.换能器磁路部分的设计是通过ANSYS有限元软件完成的，以确定换能器内部驱动的结构形式.最后给出了所制作的宽带超磁致伸缩纵振换能器的测试结果.

1 ATILA有限元软件介绍

ATILA最初是由法国ISEN公司开发的一套辅助设计声呐传感器的有限元分析软件.后经不断的发展和更新，使之成为解决传感器、换能器的专业分析工具.软件里对无载荷的弹性、压电、电致伸缩和磁致伸缩结构可以进行静态分析、模态分析、谐响应分析和瞬态分析，得到位移场、波节面位置、应力场、远场和近场声压、发送电压响应、指向性以及电阻抗等.目前国内各研究部门接触这款软件的时间都不是很长，软件的各方面性能还在探索之中.

ATILA软件本身并没有方便快捷的操作界面，虽然可以进行后处理计算，但分析功能要受到一定的限制.而GiD软件常用于计算机辅助分析的前后处理，涵盖信息、几何特征和网格生成，及各种可视化显示类型，所以在GiD软件中形成ATILA的接口界面，在 GiD中进行前后处理，界面更加友好、方便［10］.

利用GiD和ATILA进行设计的主要流程如下图1所示，前处理中要进行几何建模、赋材料属性、施加边界条件、进行网格划分以及一些计算条件的设定，然后进行计算，计算结束后在后处理中就可以进行阻抗、谐振模态、位移和压力分析等.

图1 ATILA软件设计流程Fig.1 The design flowin ATILA soft ware

2 磁路部分设计

稀土超磁致伸缩材料需要工作在一定的预应力以及恰当的偏置磁场下，才能发挥最佳的性能，所以需要对磁路结构进行合理的设计.用ANSYS有限元软件建立换能器稀土部分磁路，磁路中的磁力线分布如图2所示.永磁体和稀土棒之间添加了具有高磁导率的电工纯铁片，使稀土棒在静态条件下磁感应强度更加均匀.对于单棒结构来说，如果没有闭合磁路，永磁体提供的磁力线将大多无法返回到稀土棒中，降低工作效率.所以，外部增加纯铁管构成闭合磁路，可减少漏磁［11］.从图中可以看出，稀土棒轴向磁力线分布比较均匀，漏磁现象得到明显抑制.

图2 磁路中磁力线分布Fig.2 magnetic force line distribution ofmagnetic circuit

3 换能器有限元模型分析

3.1 模型的建立

对于单一振动模态的纵振换能器来说，实现宽带有一定的难度，但可以通过多系统或多模态的方法来实现，其中利用换能器纵向振动和前盖板弯曲振动相耦合就是一种常见而有效的拓宽频带的方法［12］，本文就是利用这种方法对换能器的结构进行设计的.

图3 换能器结构示意Fig.3 The configuration figure of the transducer

图3所示为在ATILA有限元软件中建立的换能器二维轴对称模型，各部分结构如图中所示，前盖板材料是硬铝，后盖板材料是黄铜，预应力螺杆材料是45#钢.驱动部分由3根内径8 mm、外径20 mm、长30 mm的稀土棒串联连接而成.软件中自带一些常用材料，但是永磁、纯铁等材料需要手动输入材料参数，并添加到材料库中.

3.2 空气中有限元模型分析

换能器磁路的外部被可导磁的空气所包围，其他材料的导磁性能也要进行相应的设定.此模型要对激励元件指定极化方向，并输入恰当的线圈参数，然后就可以进行有限元的网格划分并对模型进行计算.

首先对换能器进行空气中的模态分析，可得到换能器的固有频率和振型.图4为空气中有限元模型的前两阶振动模态位移矢量图，纵向振动频率为3.66 kHz，前盖板弯曲振动频率为8.15 kHz.

图4 换能器模态位移矢量图Fig.4 The figure of displacement vector for mode of the transducer

与其他有限元软件一样，ATILA可以进行线性结构的谐波响应分析，计算得到换能器空气中的阻抗曲线，如图5所示，纵向振动谐振频率为3.5 kHz，谐振时电阻值为51.2Ω，前盖板弯曲振动谐振频率为8 kHz，谐振时电阻值为12.5Ω.

图5 换能器空气中阻抗曲线Fig.5 The impedance curves of the transducer in air

3.3 水中有限元模型分析

水中的模型要在前盖板的外部构建流体部分，并且要在流体的外部施加辐射边界条件，模拟远场吸收边界.划分网格后的水中有限元模型如图6所示，一共有604个四边形单元，图中流体部分的尺寸对于ATILA软件来说已形成远场条件.

计算得到的换能器的水中阻抗曲线如图7所示，纵向振动谐振频率为2.5 kHz，谐振峰处电阻值为8.7Ω，前盖板弯曲振动谐振频率为 6.7 kHz，谐振峰处电阻值为10.6Ω.

图8所示为换能器在2.5 kHz时的声压幅度分布.根据远场声压值计算得到的换能器水中发送电流响应(TCR)曲线如图9所示，在6.8 kHz时响应值最大为195 dB.图中同时给出了在换能器尺寸结构相同的情况下ANSYS有限元软件的计算结果，通过对比可以看出ATILA和ANSYS的计算结果吻合度较好，由于2个软件对于磁致伸缩换能器的建模思想和计算方法有较大区别，而且涉及很多不同的细节问题，对于同一模型计算出的曲线无法完全拟合属于正常现象.

图6 换能器水中有限元模型Fig.6 The finite elementmodel of the transducer in water

图7 换能器水中阻抗曲线Fig.7 The impedance curves of the transducer in water

图8 换能器水中2.5 kHz时的声压分布Fig.8 The pressure distribution of the transducer at 2.5 kHz in water

图9 换能器水中发送电流响应曲线Fig.9 The transmitting current response curves of the transducer in water

4 换能器的制作与测量

4.1 换能器的制作

根据磁路部分和结构部分的设计，制作的换能器样机如图10所示，换能器总长191 mm，最大外径120 mm，未封装时的重量为7.2 kg.

图10 超磁致伸缩纵振换能器实物Fig.10 The practical figure of the giantmagnetostrictive longitudinal vibration transducer

4.2 换能器的测量

换能器的水中性能测量是在非消声水池进行的，换能器置于水深2 m处，利用WK6500阻抗分析仪对换能器水中的阻抗进行了测试，结果如图11所示.制作的换能器纵振动谐振频率为2.6 kHz，谐振峰处电阻值为30.8Ω，前盖板弯曲振动谐振频率为6.7 kHz，谐振峰处电阻值为41.3Ω.与图7中仿真结果相比较，谐振频率保持一致，测量的阻抗值要高于仿真结果，这是因为有限元的仿真结果只能得到换能器的动态阻抗，而实际换能器还存在静态阻抗.

测量得到的换能器水中发送电流响应曲线如图12(a)所示，起伏为9 dB，在6.6 kHz时响应值最大为187 dB.与图中ATILA的仿真结果相比较，发现谐振频率和起伏趋势对应较好，只是测量得到的响应值比仿真值平均低3～5 dB，这是因为在换能器中，涡流效应以及空气隙处的磁漏都会带来一些损耗，降低换能器的发射效率.图12(b)为换能器水中声源级(SL)测试曲线，在2～7 kHz频带内，测试值均不低于190 dB.

图11 换能器阻抗测试曲线Fig.11 Themeasured impedance curves of the transducer

图12 换能器发送电流响应和声源级测试曲线Fig.12 The measured transmitting current response and source level curves of the transducer

5 结论

本文尝试用ATILA有限元软件建立了一个纵振式超磁致伸缩换能器模型，在磁路分析的基础上，进行了换能器空气中和水中的模态和谐响应分析.

作为新引进的换能器专业分析软件，ATILA对于磁致伸缩换能器的分析在国内才刚刚起步，还有很多问题需要解决.但模型构建上的便捷性，材料属性和边界条件的直观性，使其还有进一步发展的空间.

对于设计的纵振式超磁致伸缩换能器:

1)换能器工作频带为2～7 kHz，发送电流响应最大值为187 dB，在频带范围内，不进行阻抗匹配的情况下，声源级均不低于190 dB.

2)本文基于ATILA的分析与ANSYS的仿真结果以及测量结果都进行了对比，吻合度较好，证明了其分析过程的正确性，为今后各种磁致伸缩结构换能器的研究增加了一种简单、有效的分析方法.

3)本文设计的换能器在小尺寸的情况下实现了宽带、大功率发射，可以单独使用，也可以组成阵列工作.

设计的纵振式超磁致伸缩换能器性能上还有提升的潜力，例如增加激励材料的体积、进行更合理的结构设计、对换能器进行阻抗匹配等，可以使换能器在更低的频率实现更高功率的发射.

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