匹配层三谐振宽带换能器设计

赵双 董铭锋 唐义政

（第七一五研究所，杭州，310023）

匹配层三谐振宽带换能器设计

赵双 董铭锋 唐义政

（第七一五研究所，杭州，310023）

借助ANSYS软件，采用多谐振加匹配层的方案，设计了一款低频宽带大功率发射换能器。通过仿真优化，调整压电陶瓷和匹配层厚度，实现单个换能器12～41 kHz发射响应〉134 dB，频带内响应起伏〈±4 dB，发射声源〉190 dB，20 kHz和30 kHz指向性开角〈80°，仿真与实测结果基本吻合。

水声换能器；有限元分析；宽带；匹配层；多谐振

半实物仿真测试系统是近年发展起来的准确又经济的测试手段。用于模拟目标在水中运动状态和分辨力的半实物仿真系统要求换能器能够覆盖各种测试目标的工作频带，并且在频带内有较平坦的响应，为测试分辨力还要求换能器有较小的指向性角。

然而单谐振换能器Qm很难做到3以下，为了扩展带宽，目前常用且有效的方法主要有：纵向振动与辐射头弯曲振动耦合法、双激励源法、多质量-弹簧振动系统、单匹配层换能器、多匹配层换能器和柔顺层换能器等。在工程实践中，工作频率在10～100 kHz频段内，单匹配层换能器是最成熟而行之有效的方法。

文献[1]介绍了匹配层扩展带宽的原理，并对单频换能器进行了带宽扩展，有一定的效果，但扩展范围有限；文献[2]介绍了双激励加匹配层的换能器设计方法，通过合理设计两激励的谐振频率，再引入匹配层激起第三阶振动，实现带宽扩展，15～42.5 kHz起伏为6 dB，但结构复杂；文献[3]介绍了有限元在换能器设计中的应用，设计的换能器在18～35 kHz频带内起伏4.5 dB。本文用有限元分析软件ANSYS设计了一款低频宽带换能器，采用双谐振加匹配层的方式实现三谐振，工作频段12～41 kHz、带宽扩展到29 kHz。

1 匹配层换能器分析与设计

任何一个换能器都有连续的一、二、三阶纵振模态，只是由于对称性原因，有些模态的耦合系数较大，容易被激励，带宽也较大；有些模态耦合系数小，不容易被激励，带宽较窄。匹配层的作用：一是破坏了对称性，使得偶数阶模态容易被激励；二是起到声学匹配作用，使一、三阶谐振频率降低。

1.1 换能器结构设计

换能器由前盖板、压电陶瓷、预应力杆、预应力螺母、后盖板和匹配层等六部分组成。根据动量守恒原理，为了辐射更多的能量，前盖板用较轻质的硬铝，后盖板用45#钢，结构如图1。为保证各方向都有对等的指向性曲线，采用喇叭型前盖板，圆形辐射面。圆形辐射面指向性可由下式表示[4]：

指向性半功率开角为

其中，a是辐射面直径，k是波数。

图1 换能器结构示意图

1.2 换能器有限元分析

换能器结构轴对称，所以建1/2二维有限元模型既能保证计算精度又能有效节省时间。建立换能器空气中二维模型，得到换能器前三阶振动模态，如图2。其中图2(a)和2(c)是压电元件纵向振动的一、三阶模态，图2(b)是匹配层激发的第二阶振动模态。建立换能器水中二维模型，水域半径满足远场条件，通过谐振响应分析得到导纳曲线，发射电压响应曲线和指向性如图3、4、5所示。

图2 换能器前三阶振动模态示意图

图3 换能器导纳仿真曲线与水池测量曲线

图4 换能器发射电压响应

图5 换能器指向性

水环境中仿真结果显示：1、换能器压电纵向振动模态一、三阶谐振频率为13 kHz和36.5 kHz，匹配层引起的振动模态频率22 kHz；2、12.5 kHz～40 kHz频段内，发射电压响应级最大值144.5 dB，最小值138.6 dB起伏小于6 dB；3、分析换能器20 kHz和30 kHz频率点指向性曲线，结果显示−3 dB指向性开角分别为72°和52°。

2 实验测量

按仿真设计制作的换能器如图6所示，并在5 m×5 m×8 m的半消声水池中测量其各性能指标，如图4、5所示。12～42 kHz范围内有三个谐振点， 发射电压响应大于134 dB，起伏小于±4 dB，发射声源级可达190 dB。指向性与仿真较一致，20 kHz和30 kHz频率−3 dB指向性开角分别为68.9°和57.9°。仿真显示尾部也有较多辐射，但实测中尾部辐射较少，是因为换能器装在测量筒中，实测中尾部主要是绕射。

图6 换能器实物

3 小结

通过多阶振动的方法实现宽频带工作，换能器结构简单，工艺实现方便，具有工程应用价值。ANSYS有限元仿真基本能反应换能器的真实情况，是换能器设计和优化的有效工具，所制作的换能器各项指标均满足设计要求， 具有重要的设计参考意义。

[1]俞宏沛 李继增 林家旺.采用匹配层的超宽带换能器实验研究[J].声学与电子工程,1998,(1):23-26.

[2]刘望生,胡青,何涛.三谐振宽带换能器理论分析与实验研究[J].声学与电子工程,2007,增刊:151-153.

[3]仲林健,唐军.匹配层宽带换能器发射性能的有限元优化分析[J].声学与电子工程,2008,(2):31-34.

[4]栾桂冬,张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵[M].北京:北京大学出版社,2005.

表2 有无匹配层的测试数据

4 结论

受实际复杂海洋环境条件和信号处理硬件计算资源小的限制，被动测距、测深功能在声速梯度结构不稳定等条件下存在误差变大、甚至无法测距测深的现象，急切需要提高设备的检测精度。针对ADCP的发展需求，本文开展相控阵降低旁瓣的布阵方式及成阵技术研究，并找到一些方法。今后高频相控阵需要在大深度、工艺和可靠性上进行摸索，提高高频相控阵成阵技术。

参考文献：

[1]田坦.水下定位与导航技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

[2 栾桂冬,张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵[M].北京:北京大学出版社,2005.

[3]钟琴琴.一种高频宽带相控阵[J].声学与电子工程,2007,增刊:169-172.