压电水声换能器宽带匹配特性研究

周瑜 ，涂其捷 ，杨荣耀 ，唐建生



压电水声换能器宽带匹配特性研究

周瑜1,3，涂其捷1，杨荣耀1，唐建生2

(1. 中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015；2. 水声对抗技术重点实验室，北京 100094；3. 哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨 100051)

采用等效电路变换和多物理场有限元仿真计算进行压电水声换能器宽带匹配特性研究，得出不同匹配电路下的换能器电声性能的变化规律，合理选择电感电容值和串并联方式进行调谐匹配实现双峰谐振，一方面提高换能器的工作带宽，另一方面提高工作频率范围内的发送电压响应值并减小工作频带内响应值的起伏，依照仿真数据设计制作了一款球形换能器，采用串联电感进行调谐匹配，并测试调谐匹配前后的水中电声性能，对比匹配前后换能器性能的差异。结果表明，测试结果和仿真计算吻合，运用多物理场仿真计算手段对于预测分析水声换能器电声性能具有较好的指导意义。

宽带匹配；多物理场；压电水声换能器

0 引言

宽带水声换能器在水声应用中具有重要的意义，尤其是在水声通信中，宽带换能器不局限于单频工作，还可以线性调频工作，提高信号的传输速率、提高通信的可靠性和保密性、降低误码率。通常利用多模态耦合、匹配层材料、混合激励、电学匹配等技术提高换能器的工作带宽。电学匹配技术主要是利用电感、电容组成的变阻调谐匹配网络，一方面实现换能器与发射机的阻抗匹配，保证换能器达到最佳的功率输出；另一方面实现调谐，使换能器在工作频率点上接近纯阻状态，减少无功分量，提高电源的效率，拓展工作带宽[1-2 ]。

本文利用等效电路和多物理场有限元仿真分析方法，对几种常见的压电换能器匹配电路进行研究，推导出换能器匹配后的等效阻抗，给出匹配参数的计算公式，并进行相关实验。实验结果表明，利用所得的等效公式可以精确地算出最佳匹配参数，从而有效地提高换能器的机电转换效率，提高工作带宽。

1 匹配电路的理论模型

通常情况下，压电水声换能器在谐振频率附近工作时可以等效成一个LC电路，如图1所示。图中为静态电容，为动态电阻，为动态电感，为动态电容，则换能器两端的阻抗为

式(1)中，R为换能器两端的电阻，X为换能器两端的电抗。在机械谐振时，电抗为0，此时，谐振频率，换能器等效成一个静态电容和机械电阻的并联。通过调谐匹配电路，一方面减小带来的容抗分量的影响；另一方面获得双峰谐振。合理地调节匹配电路参数可以拓展换能器的工作带宽 [3-6 ]。

图2 并联电感匹配等效电路

为了进一步减小有功分量，可以在串联电感调谐的基础上并联一电容，如图4所示，谐振时系统的阻抗为

图3 串联电感匹配等效电路

其中，。回路中有功分量R进一步减少，；回路中匹配的串联电感为。输入回路的电品质因子为定值，可以求解出串联电感和并联电容的大小。通过改变和，可以实现所需要的匹配效果。

回路中有功分量，匹配电感，回路的电品质因子得到了改善。

2 压电-结构-声多物理场耦合仿真分析

利用COMSOL多物理场有限元仿真软件，实现压电水声换能器的电学、声学等性能预测分析。本文以一个径向极化的压电陶瓷球作为仿真实例，首先根据球换能器的结构特点建立一个轴对称的准物理模型，如图6(a)所示，其中忽略粘接层、支撑结构、去耦结构件、电缆。其次进行物理场属性设置，水域、透声橡胶是压力声学物理场，赋予材料密度、声速参数；压电陶瓷是固体力学物理场，赋予材料弹性矩阵、压电矩阵、介电常数矩阵、密度等参数，由于压电陶瓷材料属于各向异性，径向为极化方向，因此需要指定材料坐标系，使其与极化方向一致；指定压电陶瓷为静电物理场。接着进行条件设置，包括远场计算、球面波辐射、声-结构耦合、压电效应、接地、终端、电路等。在此基础上对准物理模型进行网格划分，然后进行参数设置，进行求解。求解之后通过后处理可以得到换能器的性能参数曲线，包括电导纳、发送电压响应和接收灵敏度。

图6 球换能器物理模型和加电方式

图7 水中电导纳曲线

图8 水中发送电压响应曲线

图9 水中接收灵敏度响应曲线

3 宽带匹配特性研究

结合匹配电路理论模型和多物理场有限元仿真分析，研究不同匹配电路对换能器特性的影响。

3.1 并联电感匹配

图10 水中并联电感LP调谐导纳曲线

3.2 串联电感匹配

图11 水中串联电感LS调谐阻抗曲线

表1 LS对系统性能的影响

图12 水中串联电感LS调谐发送电压响应曲线

3.3 电容电感匹配

串联电感匹配虽然能得到两个谐振峰，但是具有一定的局限性，两个谐振峰之间的起伏可能较大。为此在换能器两端并联一电容进行改善，对系统性能的影响如表2所示。如图13所示的阻抗随并联电容的变化曲线，可以发现，在不改变串联电感的情况下，换能器的谐振频率降低，这是由于并联电容使整体静态电容增大，从而导致谐振频率降低。

图13 水中并联电容CP匹配调谐阻抗曲线

表2 CP对系统性能的影响

图14 CP调谐发送电压响应曲线

图15 LS和CP调谐发送电压响应曲线

表3 LS、CP对系统性能的影响

3.4 改进电容电感匹配

图16 CS调谐阻抗曲线

图17 CS调谐发送电压响应曲线

如图19所示，从发送电压曲线上可以看出，要获得宽带效果，当选择的电感值大时，需选择容量小的电容。

图18 LS、CP、CS匹配调谐阻抗曲线

表5 LS、CP、CS对系统性能的影响

图19 LS、CP、CS匹配调谐发送电压响应曲线

4 实验验证

为验证仿真计算的准确性，本实验以一个压电圆球为例，结合上述理论仿真分析，采用串联电感匹配方式，制作匹配电路，并测试换能器的发送电压响应曲线。如图20所示，未调谐的测试结果和多物理场仿真曲线比较吻合。

图20 未调谐发送电压响应曲线仿真与测试对比

Fig.20 Comparison between simulated and measured TVRs without tuning

图21 调谐后发送电压响应曲线仿真与测试对比

图21中解析计算结果、有限元仿真结果和测试结果存在差异的原因，一方面是等效成可解析求解的理论值利用的是谐振时的等效电路参数直接计算的电感值，而有限元仿真是根据所期望要达到的双峰效果优化后的计算得到的电感值，因此两者存在差异；另一方面，测试结果是根据有限元仿真计算得到的电感值附近选择合适的数值，因此两者之间的差异较小。

测试的接收灵敏度响应曲线如图22所示，由图22可以发现，串联电感对换能器的接收灵敏度没有影响。

图22 接收灵敏度曲线仿真与测试对比

5 结论

通过等效电路计算和多物理场仿真分析不同匹配电路对换能器阻抗、发送电压响应等性能的影响，得出以下几点结论：

(1) 并联电感匹配可以调谐换能器，使换能器趋于纯阻的状态工作，不改变换能器的发送电压响应；

(2) 串联电感匹配可以出现双峰谐振，合理选择电感值可以获得宽带发射效果；

(3) 电感电容匹配可以调整换能器发送电压响应的起伏，合理选择电容电感值和串并联方式，可以在一定频率范围内获得平坦的响应曲线；

(4) 电感电容匹配出现双峰谐振，当固定其中一个变量时，则随着另一个变量值的增大，第一谐振峰频率降低，对应的发送电压响应值增大，第二谐振峰频率降低，对应的发送电压响应值减小；

(5) 运用多物理场仿真计算的结果和实际测试结果相吻合，因此，该手段对于预测分析水声换能器的电声性能具有很好的指导意义。

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Research on broadband matching performance of piezoelectricunderwater acoustic transducer

ZHOU Yu1,3, TU Qi-jie1, YANG Rong-yao1, TANG Jian-sheng2

(1. The Third Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China;2. Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Beijing 100094, China;3. Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

In this paper the equivalent circuit transformation and multi-physics field finite element simulation is used to research the characteristics of piezoelectric acoustic transducer with broadband matching performance, and the variation of electro-acoustic characteristics of the transducer with different matching circuits is obtained. By reasonably choosing the values of inductance and capacitance as well as the way of series-parallel connection, the double-humpedresponse is achieved to broaden the working frequency range, and to improve the transmitting voltage response (TVR) and reduce the fluctuation in the working frequency range. According to the simulation data, a transducer is designed with the tuned matching using series inductance. The performance difference of the transducer before and after matching is tested. The test results are in agreement with the simulation calculation. It means that the multi-physics field simulation calculation has good guiding significance for predicting and analyzing the performance of underwater acoustic transducer.

broadband matching; multi-physics; piezoelectric underwater acoustic transducer

TB556

A

1000-3630(2018)-03-0286-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.017

2016-12-20;

2017-03-20

水声对抗技术重点实验室基金支持

周瑜(1982－), 男, 吉林辽源人, 硕士研究生, 高级工程师,研究方向为水声换能器与基阵。

周瑜, E-mail: zycetc3@163.com