耐压Ⅲ型弯张换能器研究

杨斌颖 王艳 沈明杰

(上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

随着水声装备的不断发展，对低频、小尺寸、大功率声源的需求越来越迫切[1]。Ⅲ型弯张换能器因其功率-重量比方面的出色表现，且外形、尺寸具有良好的适装性，在低频发射领域颇受青睐。然而，耐压性能差、无法适应深水工作环境是该换能器面临的一大难题。目前深水换能器普遍使用的耐压结构分为：自支撑、液体填充和溢流结构等。国外Purcell等人在专利中报道了一种褶皱外壳的Ⅲ型弯张换能器[2]，将传统Ⅲ型弯张换能器的辐射面设计成彼此裙联的条形皱褶，这样的设计在工艺制作上较为复杂，但其在保证了弯曲板形变在周向具有良好顺性的同时，较好地解决了水密问题，从而能够将内凹形弯张结构的耐压性能得到更好地体现。受壳体强度和驱动结构的限制，一般工作深度在300 m内。“蛟龙号”通信系统所使用的换能器[3]，采用钛合金材料制成换能器的外壳，外壳和换能器内部充有硅油，利用硅油的不可压缩性，随着外界压力的升高，内部硅油受压产生相应的内压，使内外压力达到平衡，从而使换能器能够在高静压条件下工作。这种方式的缺点是液腔会带来声功率损失，使换能器辐射效率降低。溢流结构换能器将内部腔体与外界水直接连通，从而达到静压力平衡。这种方式压力释放效果最为明显，可以不依赖工作深度；缺点是内液腔不仅会带来声功率损失，还可能产生声绕射现象，使得换能器辐射效率进一步下降。

本文采用溢流结构来解决Ⅲ型弯张换能器的耐压问题，通过在Ⅲ型弯张换能器内液腔填充顺性管，增加换能器内液腔的等效顺性，降低辐射阻，从而提升换能器的辐射效率。

1 基本理论及仿真分析

1.1 换能器模型

1.1.1 基本结构

Ⅲ型弯张换能器的基本结构如图1所示，主要包括3部分：壳体、激励振子以及端盖。其中壳体呈凹桶型，为了降低壳体环向刚度，需在壳体圆周方向作开缝处理。换能器工作时，对振子加电激励，振子沿轴向作伸缩运动，振动位移首先传递到上下端盖，上下端盖跟随振子同向振动，端盖将位移传递到壳体，激励壳体作弯曲运动。由于壳体呈凹桶型，形成类似于弧形杠杆结构，具有位移放大效应。

图1 Ⅲ型弯张换能器结构示意图

1.1.2 填充顺性管模型

溢流Ⅲ型弯张换能器内液腔包含水和一定数目的顺性管，由于换能器工作频率较低，声波波长远大于换能器和顺性管尺寸，可将内液腔流体和顺性管看作均匀的等效流体。

假设Ⅲ型弯张换能器内液腔的体积为V0，则有：

式中，Cm表示液腔的等效顺性系数，K表示液腔等效压缩系数，1/K表示液腔的体积模量，ZR表示换能器等效辐射阻，ρ、c分别为等效流体的密度和声速。

根据式（1），当液腔体积V0不变时，换能器液腔的等效顺性Cm增加，则液腔的体积模量 1/K减小，等效流体的密度和声速减小，所以换能器的等效辐射阻ZR也减小。ZR越小，换能器向内液腔辐射的声能越少，换能器的效率越高。

当顺性管的体积为V1，填充顺性管数目为n时，则有顺性管占空比：

液腔的等效压缩系数由如下公式计算：

式中，k1为顺性管压缩系数，k2为水的压缩系数。

1.2 顺性管理论

顺性管最常见的结构形式为扁平圆柱管型，其横截面如图2所示。顺性管的轴向长度远大于横截面的长度L、宽度W、厚度T，设计时只需要采用二维模型来分析其特性。

图2 顺性管横截面示意图

定义变量w=W/L、t=2T/W，根据文献[4]可计算压缩系数K：

最大应力σ表达式：

式中，E和μ为顺性管材料的杨氏模量和泊松系数，q为顺性管内外压强差。根据式（4）、（5），可以计算出不同材料和尺寸的顺性管的压缩系数和最大工作深度，如表1所示。

表1 不同尺寸及材料的顺性管对应的压缩系数及最大工作深度

顺性管的几何参数的确定需要充分考虑其适装性，依据换能器内液腔的尺寸，在工作深度达到需求的前提下，压缩系数越大越好。本文设计顺性管的工作深度为300 m，选用7075铝合金材料，最终设计顺性管的几何参数如表2所示。

表2 顺性管最终参数

1.3 仿真分析

1.3.1 换能器电声性能分析

通过仿真，得到换能器的发送电压响应曲线如图3所示。直接溢流时，在500～2 500 Hz频段内只有液腔谐振峰，谐振频率 800 Hz，发送电压响应101.4 dB；填充4根顺性管时，换能器的弯曲振动模态谐振频率为2 150 Hz，发送电压响应为123.8 dB，液腔谐振频率700 Hz，发送电压响应121.2 dB；填充6根顺性管时，换能器的弯曲振动模态谐振频率为1 950 Hz，发送电压响应为126 dB，液腔谐振频650 Hz，发送电压响应120.8 dB。由于换能器壳体沿圆周方向开有均匀分布的8条细缝，换能器内液腔与细缝构成了一个亥姆赫兹共鸣器，因此以上三种情况均在低频段出现了液腔谐振峰。

可以看到，直接溢流时，换能器的发送电压响应非常低；对于Ⅲ型弯张换能器的弯曲振动模态，填充顺性管数目越多，发送电压响应越高。换而言之，换能器内液腔的等效压缩系数越大，换能器弯曲振动模态的效率越高。

图3 发送电压响应曲线

1.3.2 顺性管应力分析

利用有限元软件计算在3 MPa（即水深300 m）静压力下顺性管的应力和位移，如图4所示。最大应力出现在顺性管侧面中间位置，达到369 MPa，小于 7075铝合金的屈服应力 520 MPa。表明在 3 MPa静水压作用下，该顺性管不会发生屈服形变。最大位移出现在顺性管上侧中间位置，可以看到，上下表面远没有接触。表明在此静水压下，该顺性管不会发生功能失效。仿真结果表明，该顺性管的工作深度＞300 m。

图4 3 MPa应力分析

同样计算在5 MPa（即水深500 m）静压力下顺性管的应力和位移，如图5所示。最大应力依然出现在顺性管侧面中间位置，但其最大应力值达到了1 840 MPa，远大于7075铝合金的屈服应力。同时，从其位移分布图可知，顺性管的上下表面已经完全接触，顺性管的功能将失效。

以上结果表明，300 m ＜顺性管的工作深度＜500 m，与计算结果基本相符。

图5 5MPa应力分析

2 换能器的制作及测量

2.1 换能器的制作

根据以上分析，制作了尺寸为φ120×200 mm的Ⅲ型弯张换能器如图6所示。壳体材料选用硬铝，激励振子选用PZT-4压电陶瓷。

图6 溢流Ⅲ型弯张换能器

图7为按表2给出的尺寸制作的顺性管，材料选用 7075铝合金。装配时，将顺性管通过扎带捆绑在驱动振子上进行固定。

图7 顺性管和驱动振子

2.2 测试结果

图8为发送电压响应曲线测量结果。直接溢流时，在500～2 500 Hz频段内只有液腔谐振峰；填充4根顺性管时，弯曲振动模态谐振频率2 200 Hz，谐振点发送电压响应122.6 dB；填充6根顺性管时，弯曲振动模态谐振频率为2 000 Hz，谐振点发送电压响应125.1 dB。在低频段都出现了液腔谐振峰，谐振频率分别为800 Hz、780 Hz、780 Hz，发送电压响应在 115 dB上下。在换能器的弯曲振动模态下，测试结果与仿真结果基本吻合；但在低频段的液腔谐振部分，两者相差较大。原因可能是填充顺性管后，换能器内部结构较为复杂，内液腔并不是一个单纯的亥姆赫兹共鸣器；而在仿真计算时，将换能器内液腔流体和顺性管看作均匀的等效流体，与实际情况不符，因此造成了测试结果与仿真结果的差异。

图8 发送电压响应曲线

图9为施加1 300 V电压时，换能器的声源级测量结果。直接溢流时，液腔谐振频率780 Hz，最大声源级176 dB；填充4根顺性管时，弯曲振动模态谐振频率2 200 Hz，最大声源级185 dB；填充6根顺性管时，弯曲振动模态谐振频率为2 000 Hz，最大声源级187.4 dB。填充顺性管后，在680～3 000 Hz频段内，声源级＞175 dB。

图9 声源级曲线

2.3 静水压测试结果

2.3.1 顺性管测试

图10为3 MPa静水压保压半小时后顺性管取出时的情况，可以看到顺性管无明显形变。这表明在3 MPa静水压下，顺性管不会失效。

图10 顺性管3 MPa静水压测试结果

图11为4 MPa静水压保压半小时后顺性管端盖打开时的情况。可以看到顺性管未发生破裂进水的情况，但出现了严重的凹陷。这表明在4 MPa静水压下，顺性管功能将受损，但不至于失效。

图11 顺性管4 MPa静水压测试结果

2.3.2 换能器测试

图12分别为Ⅲ型弯张换能器填充6根顺性管时在静水压0 MPa、1 MPa、2 MPa下的电导曲线，可以看到随着压力升高，换能器谐振峰都存在，只是谐振频率略微上升，但谐振点电导基本无变化。这表明在2 MPa静水压作用下，换能器性能基本不变。由于溢流填充顺性管的Ⅲ型弯张换能器的耐压能力取决于顺性管的耐压能力，而顺性管的耐压能力超过3 MPa，预计该款换能器的耐压能力也超过3 MPa。

图12 换能器静水压测试结果

3 结论

本文设计了一种填充顺性管的溢流式Ⅲ型弯张换能器。该换能器具有尺寸小、谐振频率低、工作频带宽等优点，适于用作低频宽带声源。通过对换能器模型进行理论分析及仿真计算，经过合理的设计，最终实现了换能器耐压能力的提升。由此可见，通过溢流填充顺性管提升Ⅲ型弯张换能器耐压能力的方法是可行的。本文尚未考虑顺性管自身谐振频率对换能器性能的影响，下一步对此开展研究。