宽带弯曲圆盘换能器阵列优化设计

2019-01-12赵志伟莫喜平刘永平刘慧生吴本玉

声学与电子工程 2018年4期

赵志伟莫喜平刘永平刘慧生吴本玉

（1.中国科学院声学研究所，北京，100190）

（2.北京海洋声学装备工程技术研究中心，北京，100190；3.中国科学院大学，北京，100190）

弯曲圆盘换能器以低频和小尺寸的优势在声呐浮标和诱饵等方面得到广泛应用。Woollett第一次研究了弯曲圆盘换能器[1]。James Crawford和B Armstrong等将若干带空气腔的弯曲圆盘换能器轴向机械串联，组成了模块化发射系统（Modual Projector System，MPS）[2]。2007年，加拿大DRDC（Defence Research and Development Canada）等使用谐振频率为400 Hz和940 Hz的MPS研发了鱼雷拖曳仿真系统[3]。

MPS中的弯曲圆盘阵元（以下简称阵元）自身产生的声压会与其它临近的阵元产生的声压发生强烈的相互作用，这种相互作用会增加各个阵元的辐射阻抗，电阻的增加会提高带宽和效率，电抗的增加能降低谐振频率[4]。因此可以通过调节阵元的性能以及阵元数量和中心距，来改变阵列的性能。相对于结构和性能固定的大型低频声源系统，MPS的性能更容易改变，结构更简单，维修成本更低。

1 MPS有限元仿真

依据Mitsuru Yamamoto等人的研究，当弯曲盘及其驱动压电陶瓷半径变化时，MPS发送电压响应峰值几乎不变，因此可以将不同半径压电陶瓷的弯曲圆盘换能器组阵，来拓宽带宽[5-6]。

1.1 不同阵元等中心距MPS

选择中心频率f0为6 kHz左右，阵列频率覆盖范围在0.5f0～2f0左右，仿真得到6 kHz阵元阵列的带宽在2 kHz左右，高频阵元选择了频率稍低些的9 kHz。下面以谐振频率3.1 kHz、5.7 kHz和8.9 kHz，厚度为26 mm的弯曲圆盘换能器各两个组成6阵元MPS，其结构如图1（a）所示，从上到下依次记为1～6号。1号和2号阵元的中心距记为h12；2号和3号的中心距记为h23；3号和4号的中心距记为h34，其它中心距对应相同。阵元的两片压电陶瓷极化方向相反，2号和5号阵元电激励方式与其它阵元反相，即异相激励。图1（b）为ANSYS有限元模型。

图1 6阵元等中心距MPS模型

将第i阶谐振频率记为f-i，将其对应的发送电压响应值记为TVR-i，其中i=1、2、3。如图2所示，中心距在40～50 mm范围内f-i偏移不大，TVR-i差值较小，因此基准中心距可以选择40 mm。

图2 f-i和TVR-i差值随中心距的变化曲线

下面分别以上述三种弯曲圆盘换能器组成6相同阵元MPS，其发送电压曲线如图3所示。由图可知，相同阵元组成的MPS，其谐振频率相对于单个弯曲圆盘换能器有所下降，但带宽较窄。图3中的三种MPS的–3 dB带宽分别为2.5 kHz、2 kHz和0.2 kHz。

图3 6相同阵元等中心距发送电压响应曲线

图4为基准中心距下不同阵元组成的MPS同向激励和异向激励的发送电压响应曲线，在 2.7～8.9 kHz范围内，后者起伏较小，为4.7 dB，比相同阵元组成的阵列的带宽有很大提高。

图4 不同激励方式下不同阵元MPS的发送电压响应曲线

1.2 不同阵元不等中心距MPS

不同中心距下的发送电压响应曲线如图5所示。f-1随着h12和h23的增大而增大，不随h34变化；f-2随着h12、h23和h34的增大而增大；f-3随着h12和h23的增大而减小，随h34的增大而增大。图6中，谐振频率随h12线性变化。谐振频率随其它中心距的变化也是线性的，不再赘述。

图5 不同中心距下的发送电压响应曲线

图6 谐振频率随h12变化曲线

图7（a）、（c）和（e）中，TVR-1 和TVR-2 随三个中心距的增大而增大。TVR-3随h12和h23的增大而减小。对于h34对TVR-3的影响，存在先增大再减小的过程。当h34在小于基准中心距的范围内TVR-3随h34的增大而增大；在大于基准中心距的范围内TVR-3随h34的增大而减小；在基准中心距附近TVR-3变化不大。

图7 发送电压响应峰值和差值随中心距变化曲线

图7（b）、（d）和（f）中，第一凹谷深度随h12的增大先减小后增大，随h23和h34的增大而线性增大。第二凹谷深度随h12和h23的增大先减小后增大，随h34的增大而增大。当中心距由小到大变化时，响应峰值差值先减小后增大。

由图6、图7 （a）（c）（e）可知，谐振频率和发送电压响应大体上与中心距成线性关系，那么可以定义中心距对于谐振频率和响应的影响系数，其中i=1，2，3。

计算结果如表所示。由表可知，h12对三阶谐振频率和f-2和TVR-3都有较大影响；h23对f-2和TVR-2影响最大；h34对f-3和TVR-3影响较大。

表1 中心距变化对f-i和TVR-i的影响系数

2 阵元中心距的调整优化

要使多谐振换能器达到宽带的效果，需要降低两个凹谷深度以及三个发送电压响应峰值的差值。依据表中的影响系数，可以提高h12、降低h34来实现该目的。依据图7（b）可知，当h12超过44 mm以后第一凹谷深度逐渐增加；当h12大于50 mm范围内第二凹谷深度小于3 dB；h12在48 mm左右三个响应峰值差值最小。依据图7（d）可知，当h23增加时第一凹谷深度一直在增加；当h23在44 mm附近第二凹谷深度最小；h23在46 mm附近三个响应峰值差值最小。依据图7（f）可知，当h34增加时两个凹谷深度一直在增加；h34在34 mm和55 mm左右三个响应峰值差值较小。综合以上情况，决定将h12增加到48 mm。由表1可知，当作出以上调整时，第一阶谐振频率将增加，第三阶降低，带宽会有一定程度上的下降。

本文的优化对象是发送电压响应起伏，因此可以比较在某一特定频率范围内的发送电压响应起伏变化情况。在2.8～8.6 kHz范围内，调整后的MPS发送电压响应曲线起伏在3 dB左右，第一阶谐振频率附近稍高，相对于未调整前，起伏降低1.1 dB，实现了更理想的宽带工作特性，如图8所示。