一款水声通信换能器研究
2017-10-14童晖张涛张彬王佳麟
童晖，张涛，张彬，王佳麟
一款水声通信换能器研究
童晖，张涛，张彬，王佳麟
(中国科学院声学研究所东海研究站，上海201815)
随着声呐技术的迅速发展，水声通信在海洋科学研究及海洋开发中发挥着非常重要的作用，水声通信换能器是水声通信设备中负责电声转换的重要部件。研究了一款带底座的溢流圆管换能器，通过有限元仿真计算了换能器发送电压响应和方向性等参数，优化了换能器中的陶瓷元件和底座的结构尺寸，制作并测量得到一款半空间指向性的水声通信换能器，换能器的工作频段为11～23kHz，带内起伏为3dB，最大发送电压响应为133dB，-3dB垂直开角大于180°。
半空间；溢流圆管；通信换能器
0 引言
近年来，随着科学技术的发展，水声通信技术也得到了飞速的提高。换能器是水声通信设备的重要组成部件，有多种类型[1-2]，比如复合棒、圆管、三叠片、弯张换能器等。其中圆管换能器由于其水平方向性为全向，在水声通信运用中较普遍。圆管换能器具有制作工艺简单、结构简单、带宽较宽[3]、性能可靠的特点。圆管换能器从结构上分为两种类型，一类为空气背衬换能器，另一类为溢流圆管换能器[4]。溢流圆管换能器具有内外压力平衡、几乎不受水深限制的特点而广泛应用于水声通信。
本文介绍一种溢流式圆管换能器，该换能器由压电陶瓷圆管、金属底座和水密包覆材料等组成，该换能器存在一个半开口的液腔。通过液腔与陶瓷圆管的径向振动耦合，拓宽换能器的带宽；金属底座[5]可以改善换能器的垂直方向性，同时优化换能器的发送电压响应，在换能器底座增加吸声橡胶以减小换能器的后辐射，从而达到较为理想的半空间指向性[6]。
1 换能器理论及有限元仿真
本文中溢流圆管换能器的结构如图1所示，溢流圆管换能器的谐振模态为圆管的呼吸模态，陶瓷圆管及极化方向为径向极化，其谐振频率可用式(1)来表示：
换能器液腔谐振的频率可根据G.W.Mcmahon给出的方程(2)计算[7]：
式中：为水的体积弹性模量；为溢流环换能器材料的弹性模量；为溢流环换能器的壁厚。
图1 溢流圆管结构示意图
Fig.1 Structurediagram of free-flooded ring typed tube
当确定换能器谐振频率时，可通过公式(1)计算出陶瓷外形尺寸，并通过公式(2)计算出换能器的液腔谐振频率。通过换能器的两个谐振频率拓宽换能器的带宽，但由于实际结构中具有不规则腔体，并不能精确地计算腔体谐振频率，因此在计算带腔体谐振频率时都采用有限元软件。
通过上述仿真参数可以优化确定换能器的各项参数，最佳参数条件下的发送电压响应曲线如图5所示。
2 换能器的电声性能测量
通过上述仿真可以得出换能器的基本参数，考虑到水声通信换能器需长时间处于海水当中，因此选取钛合金材料作为换能器的底座材料，选取聚氨酯材料作为换能器的包覆材料，通过上述仿真得出换能器的基本参数，最终制作出一个75mm×45mm的水声通信换能器，其中底座外直径为75mm，换能器样机如图6所示。
由于水声通信换能器通常需要半空间的指向性，因此在换能器的底部增加了一个吸声障板，这样可以有效地降低换能器的后辐射，同时不影响换能器的半空间指向性。实验中测得换能器在整个频段内的指向性都大于180°，23kHz时换能器的指向性如图8所示，图9为增加吸声材料后的换能器在23 kHz的指向性图。
从图中可以看出，换能器3 dB开角大于180°，工作频带内前后辐射差在14 dB以上。
3 结论
本文通过有限元仿真优化了一种水声通信换能器，运用换能器的液腔谐振以及陶瓷圆管的径向谐振耦合实现换能器的宽带特性，同时运用换能器的液腔界面反射，实现换能器半空间指向性。最终制作出一个换能器，其频带范围为11～23kHz，带内起伏为3dB，最大发送电压响应为133dB，带内垂直开角大于180°。测量结果与仿真结果基本吻合，这类换能器广泛适用于水声通信中。
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Astudy ofunderwateracousticcommunicationtransducer
TONG Hui, ZHANGTao, ZHANG Bin, WANG Jia-lin
(Shanghai Acoustic Laboratory,Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201815,China)
With the quickdevelopment of sonar technology, underwater acoustic communication plays an important role in marine scientific research and ocean development.Underwater acoustic communication transducer is the important part of the electric sound conversion system for acoustic communication. This paper studies a kind of underwater acoustic communication transducer using free-flooded ring typed tube.The ceramic components and shell structure of the transducer are optimized by the finiteelement simulation. A half-space directional underwater acoustic communication transducer is made and measured with the specifications as follows: 11~23 kHzworking band with 3 dB fluctuation, 133 dB maximum transmitting voltage response and the -3 dBverticalangle of greater than180degrees.
half-spacedirectional;free-flooded ring tube;communicationtransducer
TB552
A
1000-3630(2017)-04-0390-04
10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.04.016
2016-12-05;
2017-03-05
童晖(1986－), 男, 江西抚州人, 硕士, 研究方向为水声换能器。
童晖, E-mail: tonghui27@163.com
