一种镶拼圆环换能器宽频带应用研究

2018-11-09严由嵘

水下无人系统学报 2018年5期

宋哲, 严由嵘

一种镶拼圆环换能器宽频带应用研究

宋哲, 严由嵘

(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)

为了实现小口径无人水下航行器(UUV)的低频声发射, 进一步降低发射换能器在航行器中的体积、质量占比、拓宽换能器可用频带, 研究了一种适用于小型UUV的薄壁镶拼圆环换能器。考虑小型UUV对换能器尺寸、质量的限制, 通过理论公式与有限元软件ANSYS相结合的方法, 分析了镶拼圆环高度参数变化对换能器电声性能的影响; 合理设计了圆环高度, 实现了圆环径向呼吸振动模态与高度方向弯曲振动模态耦合, 达到了拓宽频带的目的。采用薄壁设计以降低质量及空间占用, 并通过模态分析阐述了该换能器在谐振频率以下频带内的振动形式及声性能特点。根据仿真优化结果, 制作了换能器样机。经测试, 换能器在5.5 ~33 kHz工作频段内, 发送电压响应带内起伏约为±4 dB, 仿真与实际测试结果基本吻合。带内声源级大于173 dB; 低频段500 Hz~1 kHz频带内声源级大于144 dB, 具备一定的低频声发射性能。文中工作可为实现小口径UUV换能器的低频、宽频带声发射提供参考。

水下无人航行器; 镶拼圆环换能器; 宽频带

0 引言

近年来, 随着对海洋探索步伐的逐渐加快, 具备探测功能的无人水下航行器(unmanned undersea vehicle，UUV)的发展也愈加快速, 其种类繁多, 功能涉及地形测绘、战场探测、节点通信等[1]。水声换能器是UUV声探测功能的重要组成部分, 是完成电、声能量转换的关键组件。大直径UUV可容纳大型低频换能器, 其投放平台多以舰艇为主; 小型UUV则可利用飞机实现空中投放[2], 机动优势明显, 但对UUV本身的体积和质量有严格限制。鉴于换能器频率与尺寸成反相关特性, 为使小型UUV具备低频探测功能, 要求其换能器具备低频率、宽频带、小体积、轻质量等特性, 这也是当今低频换能器的主要发展方向。

2 kHz以下频段的换能器有溢流圆环、弯张、弯曲圆盘等形式。在美国低频主动拖曳声呐装备中, 可见使用溢流圆环[3-4]、弯张换能器[5]构成的大型发射基阵, 但发射阵体积质量大, 吊放困难; 其后出现了使用凹桶型弯张换能器直接置于长缆中构成的轻质主动拖曳阵线列阵[6], 该种形式线性尺寸过长, 不适用于可空投的小型UUV。常见装备中的主动探测型空投浮标、航空吊放声呐[7]等设备上, 使用小口径弯曲圆盘换能器构成的阵列结构可作为小体积发射声源, 进一步减小体积质量。国内也出现了新结构、新材料的换能器形式[8-9], 但距离工程应用有一定距离。

基于此, 文中研究了一种适用于小型UUV的薄壁镶拼圆环换能器, 以期实现小口径UUV的低频声发射。文中涉及的UUV口径约100 mm, 声信号发射需覆盖1 kHz以下频段及30 kHz附近频段, 为降低换能器占用的质量和空间, 选择小口径圆环型换能器作为发射声源, 其安装方式如图1所示。与弯曲圆盘阵相比, 圆环内部空间可放置其他组件, 以提高空间利用率, 显著降低换能器质量。为获得较高的发射声源级, 选择镶拼型圆环, 合理设计其谐振频率的同时, 探索其在非谐振频带的发射性能, 实现在较宽频带范围内的应用。

1 镶拼圆环换能器设计

对于单峰谐振的换能器, 定义其为低于最大响应3 dB的2个频率差为换能器的频带宽度[5]。在工程上较多使用多模态耦合的宽带换能器, 其多峰间的发送电压响应起伏往往大于 3 dB, 常用±3 dB或其他数值等来表述, 称之为工作带宽。随着数字电路及电子技术的发展, 可以通过数字方式对信号的控制来补平换能器的频带响应, 为非谐振状态下使用发射换能器性能提供了可能。

1.1 理论分析方法

镶拼圆环换能器是由厚度方向极化的楔形压电陶瓷条及形状相同的无源材料条(如金属、塑料等)镶拼构成, 结构简单紧凑。空气中的径向谐振频率计算公式[6]

当镶拼圆环全部由压电陶瓷条构成时, 上述公式简化为

镶拼圆环辐射声功率[2]

文中, 镶拼圆环全部使用PZT4压电陶瓷条构成, 不使用无源材料。因圆环谐振频率主要由圆环直径决定, 为尽量实现低频声发射, 在航行器允许直径下选取最大值, 经计算, 圆环的谐振频率约为8.5 kHz。

由式(3)可知, 圆环的壁厚、陶瓷条数量、圆环高度对换能器的声发射性能均有影响。因小型UUV可提供的电压不高, 应尽量提高换能器的发送电压响应值, 即增加构成圆环的陶瓷条数, 使单条陶瓷厚度稳定耐受功放电压即可, 无需做更多余量; 圆环壁厚的增加, 在一定程度上有利于提高发射性能, 同时会显著增加换能器重量; 圆环高度与辐射声功率成正比特性, 同时会对圆环轴向指向性有较大影响。在设计镶拼圆环换能器时应综合考虑各参数因素。

针对圆环各结构参数对声性能分析时, 均使用有限元软件ANSYS进行分析。

1.2 有限元仿真

如图2所示, 为简化计算流程, 在ANSYS软件中建立镶拼圆环换能器的1/有限元模型。

在500 Hz~50 kHz频段上对模型进行谐响应分析及模态分析。一般圆环有2种主要振动模态, 即圆环的扩张收缩振动模态(呼吸振动模态)及圆环高度方向的弯曲振动模态[7]。高度较短时, 激发圆环呼吸振动模态; 增加圆环高度, 呈现2种模态相互耦合状态; 继续增加高度, 则2种模态分离。该现象会导致某种径高比下圆环端向声能量较辐射面法线方向更为集中。通过合理设计2种模态耦合程度, 可在一定程度上拓展圆环的工作带宽。

镶拼圆环在UUV上与壳体同轴线安装, 在考虑圆环高度弯曲模态与呼吸振动模态耦合的同时, 应注意对圆管辐射面法线方向指向性开角要求, 所以圆环高度参数设计得较短。图3为换能器空气中电导纳(-)仿真曲线图, 圆环空气中的谐振频率为8500 Hz, 与理论计算相符。在谐振频率处的振动模态较为单一, 为圆环呼吸振动模态, 如图4所示。

利用上述结果, 在软件中建立镶拼圆环在水中的有限元模型, 进一步计算换能器在水介质中的电声性能。通过谐响应分析可得到换能器的发送电压响应(transmitting voltage response, TVR)仿真曲线图, 如图5所示。由图中可知, 圆环水中的谐振频为7 kHz, 最大发送电压响应级为143 dB, 5.5~30 kHz频带范围, 带内发送电压响应级均大于130 dB, 该频带可以作为工作频率应用。

在谐振频率附近, 圆环呼吸振动模态做主要贡献, 10~30 kHz为平坦段, 观察30 kHz处的振动模态(见图6)可知, 圆环高度方向的弯曲振动模态与呼吸振动模态呈耦合作用, 提供了较宽频带范围内的平坦响应, 该模态在此频段是有益的。

谐振频率以下频段, 响应曲线快速下降, 针对3 kHz频点做模态分析, 如图7所示。模态纯净, 为呼吸振动, 即谐振点以下频段圆环均做呼吸振动, 此时阻抗过大, 电压激励的响应较小,但仍可工作。该现象也可解释圆环形换能器在谐振点以下频段接收灵敏度曲线平坦的现象。在频响曲线35 kHz以后的频段, 曲线开始有明显下降、抖动现象。由图8可知, 在该频段处, 开始出现圆环圆周方向的高阶弯曲振动模态, 与呼吸振动模态、高度弯曲振动模态相互耦合现象, 这种模态耦合对设计不利, 应在设计及使用中尽量避免。

2 换能器电声性能测试

根据上述分析结果, 制作了薄壁镶拼圆环换能器, 如图9所示。该换能器最大尺寸与航行器外径相同, 约100 mm, 高度不大于60 mm, 换能器质量不大于600 g。配合航行器专用功放, 在消声水池中进行了测量。将测试的发送电压响应曲线与仿真曲线进行对比, 如图10所示。

从图中可知, 仿真曲线与设计测试曲线吻合较好, 5.5~33 kHz带内起伏约为±4 dB, 最大TVR曲线为138 dB。在低频段, 实际测试频响较仿真略大, 且有一个较小的振动峰; 推测实际镶拼陶瓷圆环在装配中受到不均匀应力等作用, 造成实际模型与仿真模型不符, 仿真结果与实测结果出现了一定误差。

图11给出了换能器的发射声源级测试曲线, 在4~33 kHz频段, 声源级可达到173 dB以上, 最大声源级185 dB; 低频段500 Hz~1 kHz频带内声源级大于144 dB。

3 结束语

为了实现小口径UUV的低频声发射, 进一步降低发射换能器在航行器中的体积、质量占比及拓宽换能器可用频带, 文中根据振动理论得到的频率和声功率计算公式, 计算了镶拼圆环的平均半径。结合有限元软件ANSYS, 分析了高度结构参数变化对镶拼圆环换能器声发射性能的影响。最终制作了一种应用于小型UUV的薄壁镶拼圆环声发射换能器样机。经测试, 该换能器在5.5~33 kHz工作频段内, 带内起伏约为±4 dB, 最大TVR为138 dB, 测试结果与仿真结果基本相符, 实现了宽带发射性能。同时, 在谐振频率以下频段(低端)上, 对镶拼圆环换能器进行了模态分析和声学性能仿真, 阐述了镶拼圆环换能器在该频段的主要振动形式及声性能特点。经测试, 换能器在500 Hz~1 kHz频带内声源级大于144 dB, 可实现噪声源模拟等工作, 具备一定的低频声发射性能。文中的工作探索了适用于小型UUV的镶拼圆环换能器在宽频带范围上的可应用性, 可为实现小口径UUV换能器的低频、宽频带声发射提供参考。后续工作中还需进一步开展1 kHz以下声发射性能研究。

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Application of Broad Bandwidth to Mosaic Transducer

SONG Zhe, YAN You-rong

(1. The 705th Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China; 2, Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi’an 710077, China)