两种多谐振宽带纵振换能器设计

胡负稷, 张喜顺, 张文波, 王明洲, 淦华东



两种多谐振宽带纵振换能器设计

胡负稷1, 2, 张喜顺3, 张文波1, 王明洲1, 2, 淦华东1, 2

(1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安, 710077; 3. 海军装备研究院, 北京, 100161)

纵振换能器以结构简单、性能稳定等优点被广泛应用于鱼雷自导、水声对抗等领域。为研究多谐振纵振换能器的宽带特性, 文中在设计制作一种双激励宽带纵振换能器的基础上, 设计制作了一种三激励宽带纵振换能器, 并对2种换能器样机进行了实验测量。结果表明, 换能器实测性能和仿真结果吻合, 三激励宽带换能器比双激励宽带换能器在优化设计时更容易控制, 三激励宽带换能器比双激励宽带换能器在控制凹谷方面也更具优势, 可为多谐振宽带纵振换能器的研究提供参考。

鱼雷; 宽带纵振换能器; 双激励; 三激励

0 引言

随着水声通信技术的发展, 越来越多的信息需要通过声波传输。换能器的工作带宽决定了其所能传输信息量的大小。宽带换能器因为具有多频段工作、能传输更多信息、信号更准确等优点, 已在鱼雷多频制导、高分辨率合成孔径声呐、声诱饵和干扰器研制以及超声医疗等领域有了越来越多的应用[1]。

多谐振宽带纵振换能器是一种常用的宽带换能器, 其主要原理是通过产生多个振动模态并使其有效耦合以达到拓宽换能器工作带宽的目的[2-4]。目前, 国内外关于多谐振宽带纵振换能器的研究主要集中在双激励、混合激励及加匹配层等方法[1-2], 这些方法往往能获得较好的宽带效果, 但却存在发送电压响应低、响应起伏大、带宽不够宽等缺点。针对这些问题, 文中对双激励和三激励宽带纵振换能器进行研究, 以期得到更宽的带宽、更小的响应起伏, 其中三激励宽带纵振换能器在国内外的研究尚不多见。

1 多谐振宽带纵振换能器设计

纵振换能器又称为复合棒换能器, 主要结构包括盖板、质量块和晶堆等, 是一种广泛使用的换能器。多谐振宽带纵振换能器也多采用此结构。

在换能器设计之初, 通常采用等效电路分析方法, 根据换能器整体的等效电路, 由设计的性能指标推导出换能器的各部分尺寸[5-7]。文中在设计三激励换能器之前先设计一种双激励换能器, 并在此基础上设计三激励换能器[8]。

1.1 双激励宽带换能器设计

根据等效电路法, 双激励换能器设计为前晶堆包含4片PZT-4压电陶瓷圆片, 后晶堆包含2片PZT-4压电陶瓷圆片, 中间质量块和后质量块长度比为2︰5。

通过等效电路设计计算换能器的结构尺寸后, 还需对换能器结构进行优化设计。最常用的方法是在只改变某一结构尺寸或材料参数的条件下, 对换能器进行多次仿真性能对比, 总结各结构尺寸或材料参数对换能器性能指标的影响规律, 进而得到优化的换能器性能。文中研究换能器带宽性能, 这里的带宽主要指换能器发送电压响应(transmitting voltage response, TVR)的带宽, 仿真分析所用的软件为ANSYS, 图1为双激励换能器的有限元模型[8-9]。

通过有限元仿真可得换能器的振动模态矢量图, 图2~图4为双激励换能器的前3阶振动模态位移矢量图。从图中可知, 双激励换能器前3阶振动模态对应的谐振频率分别为24.3 kHz、46.3 kHz和52.5 kHz; 前2阶振动模态以纵向振动为主, 第2阶振动模态包含一定程度的前盖板弯曲振动, 第3阶振动模态包含较强的前盖板弯曲振动。

图1 双激励换能器的有限元模型

图2 双激励换能器第1阶振动模态位移矢量图

图3 双激励换能器第2阶振动模态位移矢量图

图4 双激励换能器第3阶振动模态位移矢量图

图5 双激励换能器中间质量块厚度h1的变化对发送电压响应的影响

对于换能器各阶谐振频率均随质量块厚度增加而降低的现象, 可以用弹簧-质量块系统来解释。换能器最终都可以等效为一个或多个弹簧-质量块系统, 而弹簧-质量块系统的谐振频率[10]

式中:为谐振频率;为刚度系数;为质量。

当质量块厚度增加时, 质量增加, 从而导致谐振频率减小。

1.2 三激励宽带换能器设计

对于双激励换能器, 在其前晶堆中间插入一个质量块即可使换能器出现3个晶堆, 即为一个前、中、后晶堆比为1︰1︰1的三激励换能器。

图6 三激励换能器新插入质量块厚度h2变化对TVR影响

和图2对比可以发现, 三激励换能器在调整质量块厚度时, TVR频响曲线中各谐振峰起伏的变化比双激励换能器要小, 后2阶谐振峰的变化尤为明显。这说明三激励换能器对各结构部分参数变化的敏感度小于双激励换能器, 在优化设计换能器时更容易调整各结构部分使换能器得到最优的性能。对换能器其他结构部分也可采用类似分析方法, 综合各部分的优化规律及其他因素, 设计了一种双激励换能器和一种三激励宽带换能器, 图7为2款换能器的发送电压响应频响曲线。

图7 最终优化设计的双激励换能器和三激励换能器TVR频响曲线

从图7中可以看出, 2种换能器的可用带宽均在20~50 kHz左右, 起伏在4 dB以内; 三激励换能器各谐振峰相互更靠近些, 这可以使多个模态之间达到更好地耦合。

2 实验测量

根据设计的换能器规格尺寸分别加工制作双激励和三激励换能器, 图8为2种换能器灌封后的实物样机。对2种换能器发送电压响应的测试结果见图9。从图9可知, 双激励换能器和三激励换能器在20~45 kHz范围内起伏较小, 可用工作带宽达到25 kHz, 带内起伏不超过6 dB, 最低TVR超过131 dB, 实验测得的TVR频响曲线和仿真设计的TVR频响曲线是相符的。但2种换能器在45~50 kHz频段内均出现了较深的凹谷, 说明第3阶谐振点没有和低阶谐振点有效耦合。

图8 换能器实物样机

图9 实验测得的三激励换能器和双激励换能器TVR频响曲线

还可以发现三激励换能器的凹谷要比双激励换能器的凹谷要浅很多, 这说明三激励换能器在TVR起伏控制方面更具优势, 如果要实现第3谐振点和低阶谐振点的有效耦合, 应继续对三激励换能器的结构作进一步研究是一种选择。

3 结束语

文中对多激励宽带换能器质量块厚度变化对TVR的影响进行了仿真分析和理论分析, 优化设计了一款双激励宽带换能器和一款三激励宽带换能器, 根据设计加工制作了双激励换能器和三激励换能器并进行了实验测量, 最后对实验结果进行了说明和分析。

仿真结果表明, 质量块厚度的增加能引起各阶谐振频率的降低, 并引起第1阶谐振频率对应的响应带宽变窄; 三激励换能器对各结构参数的不敏感, 使得三激励换能器在优化设计时比双激励换能器更具优势。

实验结果表明, 双激励换能器和三激励换能器在20~45 kHz频段内最低TVR达到132 dB, 带内起伏小于6 dB, 三激励换能器比双激励换能器在控制45~50 kHz之间的凹谷时更有优势。

如何控制换能器TVR曲线的凹谷是有待进一步研究的问题, 进一步调整三激励换能器各参数有望实现这一目的。文中的研究可为多谐振宽带换能器的研究提供参考。

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(责任编辑: 杨力军)

Design of Two Kinds of Multi-rosonant Broadband Longitudinal Vibration Transducer

HU Fu-ji1, 2, ZHANG Xi-shun3, ZHANG Wen-bo1, WANG Ming-zhou1, 2, GAN Hua-dong1,2

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China, 3. Naval Armament Academy, Beijing 100161, China)

The longitudinal vibration transducer has been widely used in homing torpedo and undersea acoustic countermeasure because of its simplicity and stability. To reveal the performance of the multi-resonant broadband longitudinal vibration transducer, double- and triple-excitation broadband longitudinal vibration transducer are designed and fabricated. Both transducers are measured experimentally, and the results show that the measurement agrees well with simulation and compared with the double-excitation broadband longitudinal vibration transducer, the triple-excitation broadband longitudinal vibration transducer behaves in optimization and transmitting voltage response valley control. This study may provide a reference for the research of multi-resonant broadband longitudinal vibration transducers.

torpedo; broadband longitudinal vibration transducer; double-excitation; triple-excitation

胡负稷, 张喜顺, 张文波, 等. 两种多谐振宽带纵振换能器设计[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(4): 377-380.

TJ630.34; TB565.1

A

2096-3920(2017)04-0377-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.012

2017-02-14;

2017-05-03.

胡负稷(1990-), 在读硕士, 主要研究方向为水声换能器与声系统技术.