空腔式前盖板宽带纵向换能器研究

周天放,蓝宇,桑永杰

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001;2. 哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)



空腔式前盖板宽带纵向换能器研究

周天放1,2,蓝宇1,2,桑永杰1,2

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001;2. 哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

纵向换能器实现宽带性能有较多方法，但是拓宽频带有限。为了改善宽带性能，在传统纵向复合棒换能器的基础上，通过在前盖板处开有空腔结构来产生多种振动模态，利用多模态耦合原理实现换能器更宽频带性能。利用ANSYS有限元软件对换能器进行优化设计并制作了试验样机，测量得到在4.5-14 kHz的频带内，换能器的最大发送电压响应值为148.9 dB，响应起伏9 dB。仿真分析与实验结果表明，与传统的纵向换能器相比，空腔式前盖板纵向换能器在拓宽频带方面效果显著，达到了一个倍频程以上。

空腔式前盖板；纵向换能器；宽带；多模态耦合；有限元法；优化设计

随着水声技术的发展和海洋军事的需求，水声换能器主要朝着宽带、低频、小尺寸方向发展。在众多的换能器中，纵向振动换能器虽受其带宽特性不足，低频限制等，但是由于设计理论成熟，性能稳定、尺寸小、电声效率高、容易布阵等诸多优点，仍然是水声换能器研究的热点[1-2]。

纵向换能器在实现宽带性能方面有很多方法，如利用前盖板弯曲振动的纵弯耦合原理，前盖板加匹配层原理，单端激励原理，多激励原理等[3]。近年来，日本学者Mitsuru Yamamoto、中科院声学所邢建新、韩国学者Saosometh Chhith等相继研究了在纵向换能器的前盖板内部开有空腔或加有圆形陶瓷片等结构，在前盖板辐射面处形成类似于弯曲圆盘的弯曲振动，通过纵向振动和弯曲振动的耦合实现宽带性能[6-8]。其实现宽带的原理都为多模态耦合原理。

本文是在传统纵向换能器结构形式的基础上，在前盖板内部开有空腔结构，通过改变前盖板开空腔位置及结构形式，以激励出更多能够应用的主要振动模态，通过结构优化，调整频带内每个振动模态的相对位置，利用多模态耦合原理，来拓宽换能器频带性能。

1　空腔式前盖板纵向换能器设计

传统纵向(Tonpilz)换能器主要由前盖板、压电堆、后盖板以及螺杆组成，声能主要由前盖板辐射，当换能器进行纵向振动时，一般会在压电晶堆的某处存在一振速为零的节点，为了得到高的前后振速比，以得到更大的辐射声能，一般前盖板采用轻质材料，后盖板采用重质材料，螺杆将换能器的各部分连接起来，同时对压电晶堆施加预应力,其结构如图1。

图1　纵向换能器结构示意图Fig.1　The configuration of longitudinal transducer

图2　空腔式前盖板纵向换能器结构示意图Fig.2　The configuration of longitudinal transducer with a cavity inside the head mass

纵向换能器的前盖板一般是直接与水接触，并辐射声能量，所以换能器的前盖板结构设计对纵向换能器辐射性能的影响至关重要。其前盖板一般结构如图1中所示，可以激励出前盖板弯曲振动模态，与换能器的一阶纵振模态合理耦合实现宽带发射，带宽一般可以做到一个倍频程[9-10]。在此前盖板结构的基础上，设计了一种在纵向换能器前盖板处开有空腔的结构，如图2所示，称之为空腔式前盖板纵向换能器。这种结构的作用主要是通过在前盖板内部开有整体空腔，增加前盖板的等效柔顺系数，并减少前盖板的辐射等效质量，使换能器的机械品质因数减小，增加频带宽度及辐射能力，并通过合理结构尺寸设计，这样可以激励出一阶纵振、类二阶纵振，空腔上板的弯曲振动等更多模态，通过多模态合理耦合就可以实现更宽频带性能。

2　换能器的有限元分析

ANSYS软件是目前应用比较广泛的大型有限元分析软件，应用多物理场模块，可以进行压电耦合、流固耦合等多物理场问题分析，并能计算得到换能器的各种电声参数，是换能器分析与设计的重要工具[11]。

2.1换能器的有限元模型

应用ANSYS有限元软件对纵向换能器进行有限元分析，首先应建立换能器的有限元模型，在有限元建模中忽略换能器的粘结层、电极片以及外套筒等结构，同时由于换能器在结构上具有轴对称性，为了节省运算时间及建模方便，在有限元仿真过程中建立二维轴对称有限元模型。

换能器前盖板材料选择硬铝，后盖板材料选择黄铜，螺杆材料选择45#钢，驱动材料选择PZT-4，划分网格时金属材料部分赋予单元类型为Plane42，驱动材料部分赋予单元类型为Plane13，相应的金属部分赋予的材料参数为密度、杨氏模量、泊松比，驱动部分赋予的材料参数为密度、压电参数、弹性参数、介电参数，建立的二维轴对称有限元模型如图3所示[12]。

图3　换能器的有限元模型Fig.3　The finite element model of transducer

2.2换能器的振动模态研究

在应用ANSYS软件对换能器振动模态研究过程中，主要应用的是模态分析，模态分析是用于确定已有材料结构的本征频率以及位移振型、振速振型，直观的给出换能器的各个振动模态频率下的振型，能够更好的为谐波响应分析奠定基础，为多模态耦合拓宽频带提供基本依据。

图4　换能器的主要振动模态图Fig.4　The main vibration modes of transducer

经过模态分析得到换能器的基本振动模态及振动频率如图4所示，从第1个振动模态图4(a)可以知道，换能器只有一个节点在压电晶堆中间位置，振动位移最大值在换能器两端，而且相位相反，所以为换能器的一阶纵向振动模态，谐振频率为5.7 kHz；从第2个振动模态图4(b)可以看出换能器有两个节点，分别位于前盖板中部和压电晶堆下部，前后盖板振动相位相同，所以为换能器二阶纵向振动模态，谐振频率为11 kHz；从第3个振动模态图4(c)可以看出，除了螺杆处有大的振动位移之外，其他位置都很小，所以为螺杆的纵振动模态，谐振频率为13.4 kHz；从第4个振动模态图4(d)可以看出，只有换能器前盖板辐射面中部有大的振动位移，所以为前盖板辐射面的弯曲振动模态，谐振频率为15.3 kHz。

2.3换能器的有限元优化设计

在应用ANSYS有限元软件对换能器进行优化设计，主要应用的是谐响应分析。谐响应分析是分析线性系统在受到简谐激励时的稳态响应，在换能器设计中主要模拟分析其工作性能，得到换能器的阻抗特性、发送电压响应特性、指向性特性等重要电声参数。

在进行谐波响应分析时，先要建立换能器水中的有限元模型。换能器结构建模时赋予的单元类型和材料参数与模态分析时一样，在建一个圆面模拟水介质，圆外径线赋予fluid129无限吸收边界单元，模拟自由场边界条件，使用fluid29有(无)结构自由度单元模拟与换能器接触(不接触)的水介质，赋予声速和密度参数，在换能器与水接触的界线处施加流固耦合边界条件，模拟从结构位形到流体声场的振动传递，建立的换能器水中二维轴对称有限元模型如图5。

图5　换能器水中有限元模型Fig.5　The finite element model of the transducer in water

图6　前盖板的结构参数图Fig.6　The schematic of the head mass

完成换能器水中有限元建模后，调节换能器前盖板的结构参数，以频带宽度和频带内的发送电压响应曲线平坦度为目标，进行换能器结构优化设计，在优化过程中主要涉及的参数为空腔式前盖板的结构尺寸，其如图6所示。

图7为改变前盖板厚度a的发送电压响应变化曲线，从图中可以看出发送电压响应曲线有3个谐振峰，对应于空气中的4个振动模态，其发送电压响应曲线中3个振动谐振峰分析依次为一阶纵振模态、二阶纵振和螺杆纵振耦合模态、前盖板弯曲振动模态。

图7　发送电压响应与前盖板厚度a的关系Fig.7　Transmitting voltage response curves when the 　thickness of the head mass is changed

从图7可见，随着前盖板厚度a的增加，换能器的第1个谐振频率与对应的发送电压响应值基本不变，第2个谐振频率升高明显，第2个谐振对应的发送电压响应值增大，第3个谐振对应的发送电压响应值降低，第2、3个谐振频率之间的发送电压响应凹谷值明显变大。所以通过改变前盖板厚度a的大小可以调节换能器第2、3个谐振频率以及发送电压响应值和第2、3个谐振频率之间的发送电压响应凹谷值。

图8为改变前盖板空腔高度b的发送电压响应变化曲线。从图中可以看出，随着前盖板空腔高度b的增加，只有第2个谐振对应的发送电压响应值减小，其他谐振频率及响应值变化不明显，所以通过改变空腔高度b可以调节第3个谐振对应的发送电压响应值。

图8　发送电压响应与前盖板空腔高度b的关系Fig.8　Transmitting voltage response curves when thealtitude of the cavity is changed

图9为改变前盖板空腔半径r的发送电压响应变化曲线。由图可知，随着前盖板空腔半径r的增加，换能器的第2个谐振频率及发送电压响应值降低，且第2、3个谐振对应的响应之间凹谷值明显减小。所以通过改变前盖板空腔半径r可以调节换能器的第2个谐振频率与发送电压响应值，及调节第2、3个谐振频率之间响应凹谷值的大小。

图9　发送电压响应与前盖板空腔半径的关系Fig.9　Transmitting voltage response curves when the 　　radius of the cavity is changed

图10为改变前盖板半径R的发送电压响应变化曲线。由图可知，随着前盖板半径R的增加，只有换能器的第3个谐振频率以及发送电压响应值发生明显变化。所以通过改变前盖板半径R可以调节换能器的第3个谐振频率与发送电压响应值，同时可以调节第2、3个谐振频率之间的发送电压响应凹谷值。

图10　发送电压响应与前盖板半径的关系Fig.10　Transmitting voltage response curves when theradius of the head mass is changed

图11　发送电压响应与前盖板圆台高h的关系Fig.11　Transmitting voltage response curves when round 　table thickness of the head mass is changed

图11为改变前盖板圆台高h的发送电压响应变化曲线。从图可以看出，随着前盖板圆台高h的增大，换能器的第3个谐振频率升高，第2、3个谐振对应的响应之间凹谷值明显减小。所以通过改变前盖板圆台高h可以调节换能器的第3个谐振频率，以及第2、3个谐振频率之间响应凹谷值的大小。

以上优化过程获得的响应变化规律，可以总结为第2个谐振频率随着前盖板厚度a增大而增大，随着前盖板空腔半径r减小而增大；第3个谐振频率随着前盖板厚度a增大而增大，随着前盖板空腔半径r和R减小而增大；第2个谐振频率处发送电压响应值随着前盖板厚度a的增大而增大，随着前盖板空腔半径r减小而增大；第三个谐振频率处的发送电压响应值随着前盖板厚度a和前盖板空腔高度b的减小而增大，随着前盖板半径R的增大而增大；第二、三个谐振频率之间的发送电压响应凹谷值随着前盖板厚度a和前盖板半径R增大而增大，随着前盖板空腔半径r和前盖板圆台高h的减小而增大。

根据上述影响规律通过整体结构优化，确定了换能器的理想结构尺寸，最终计算得到空腔式前盖板纵向换能器虚拟样机水中的导纳曲线如图12所示，第1个谐振频率、第2个谐振频率和前盖板弯曲谐振频率分别为5.25、10.75 、14.25 kHz。 空腔式前盖板纵向换能器虚拟样机的发送电压响应曲线如图13所示，在4.7～16 kHz频带范围内，最大发送电压响应值为147.2 dB，带内起伏6 dB。

图12　换能器水中电导纳有限元仿真结果Fig.12　The admittance curves in water with finite 　element simulation

图13　换能器水中发送电压响应有限元仿真结果Fig.13　The transmitting voltage response curve in water with finite element simulation

3　换能器的制作与测试

依据ANSYS有限元优化确定的换能器结构尺寸，加工制作结构件，由于空腔式前盖板结构不能直接加工出来，采用分体结构粘接而成，经结构件加工及组装制作，最终制作的空腔式前盖板宽带纵向换能器样机和装有测试套筒并灌封后的换能器如图14所示。换能器样机全长为224 mm，最大外径104 mm。

图14　空腔式前盖板宽带纵向换能器样机Fig.14　Prototype of the broadband longitudinal transducer 　with a cavity inside the head mass

换能器的测试是在消声水池中进行的，水池尺寸为25 m ×16 m×10 m，测试时采用脉冲法，发射换能器与标准水听器距离1.5 m(满足远场条件)，沿水池长度方向布放，吊放深度为4 m。

测得换能器水中的导纳曲线如图15所示，从图中可知换能器的谐振频率和对应的电导值，与仿真结果对比在表1中给出。换能器的前两个谐振频率与仿真值基本相同，第3个谐振频率小于仿真值，分析主要原因为空腔式前盖板是通过粘接组装实现的结构，导致其刚度与仿真时相差很大，所以频率会有所不同。相应的电导值误差较大，主要原因为仿真时阻尼系数为经验值，其实际是与频率及结构相关的，仿真和实际有一定差异导致。

图15　实测换能器水中电导纳曲线Fig.15　The measured admittance curve of the transducerin water

在消声水池中，测试得到换能器的发送电压响应曲线与仿真得到的发送电压响应曲线对比如图16，由图知，最终得到换能器在4.5～14 kHz频率范围内，最大发送电压响应值为148.9 dB，带内起伏9 dB。

试验样机的测试结果与仿真结果在第1个、第2个谐振频率吻合较好，第3个谐振频率较仿真值减小，分析原因主要为空腔式前盖板组装结构带来的影响，前盖板的粘接结构使整体等效刚度下降较多，故而前盖板的弯曲谐振频率下降，对应的发送电压响应值与仿真值相比相差不大。

表1　水轮机结构参数

图16　实测换能器发送电压响应曲线Fig.16　The measured transmitting voltage response 　curves of the transducer in water

4　结论

本文设计并制作了一种空腔式前盖板宽带纵向换能器，换能器设计中采用了在前盖板内部开有空腔结构，以实现宽带工作特性。

1)仿真计算和测试结果表明这种结构形式的纵向换能器能激励出更多可以应用的振动模态，利用多模态耦合原理，在拓宽频带性能方面具有显著特点；

2)影响第1个谐振频率的主要参数为换能器的总体长度；影响第2个谐振频率的主要参数为换能器前盖板的空腔半径和厚度；影响第3个谐振频率的主要参数为换能器前盖板的空腔半径和前盖板半径；

3)实验样机测试结果表明，ANSYS有限元法基本可以为空腔式前盖板纵向换能器设计制作提供良好的理论依据。

下一步工作将开展在实际制作中，换能器前盖板组装结构设计对宽带性能影响研究，期望该结构的换能器能够实现更宽频带性能。同时研究前盖板开有其他空腔结构形式对纵向换能器宽带性能的响。

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本文引用格式：

周天放,蓝宇,桑永杰. 空腔式前盖板宽带纵向换能器研究[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2016, 37(9): 1215-1219.

ZHOU Tianfang，LAN Yu，SANG Yongjie. Research on longitudinal broadband transducer with cavity-type front cover[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(9): 1215-1219.

Research on longitudinal broadband transducer with cavity-type front cover

ZHOU Tianfang1,2， LAN Yu1,2， SANG Yongjie1,2

(1.Acoustic Science and Technology Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China; 2.College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

In terms of the longitudinal transducer, many methods can be adopted to achieve broadband performance, but the ability to broaden bandwidth is limited. To achieve better broadband performance with the traditional longitudinal composite-rod transducer, in this study, we opened a cavity-type structure on its front cover to generate a variety of vibration modes and achieved better broadband performance using the multi-mode coupling method. We used the finite element software ANSYS to analyze and optimize the transducer and to produce a longitudinal transducer prototype. The experimental results shows that the longitudinal transducer prototype has a maximum transmitting voltage response of 148.9 dB, a frequency range of 4.5 kHz to 14 kHz, and fluctuates within a frequency range of less than 9 dB. The simulation analyses and test results show that, compared with the traditional longitudinal transducer, a longitudinal broadband transducer with a cavity-type front cover can significantly broaden the bandwidth by over an octave.

cavity-type front cover; longitudinal transducer; broadband; multi-mode coupling; FEM; optimal design

2015-07-08.

时间：2016-07-29.

国家自然科学基金项目(11374073).

周天放(1985-), 男, 讲师，博士研究生;

蓝宇(1974-), E-mail: lanyu@hrbeu.edu.cn.

10.11990/jheu.201506051

TB565.1

A

1006-7043(2016)09-1215-06

蓝宇(1974-), 男, 研究员,博士.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160729.1304.010.html