堆叠式星型柱面发射换能器

2020-04-10刘慧生

声学与电子工程 2020年1期

刘慧生

（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）

在水下网络通讯中，声呐浮标常采用圆柱形声源，主要是利用其周向无指向性的声发射特性，实现周边各节点的通讯，工作频率一般以10 kHz为中心频率，带宽在4 kHz左右。文献[1]提到一种星型圆柱换能器，利用辐射头的弯曲模态实现低频宽带工作。John L Bulter[2]提到一种利用单极子、偶极子、四极子工作模式的星型圆柱换能器，实现提高换能器的指向性指数，相同源级情况下，可降低能源消耗，从而延长设备工作时间。

换能器常见的带宽展宽方式是多模态耦合，但有时由于相位反相、结构尺寸限制、模态间距过大等造成模态耦合困难。而采用多个不同频段的谐振换能器组合实现增加带宽则不存在相位反相问题，容易实现宽频带的覆盖，相应带来结构尺寸的增加。本文之所以提出采用堆叠星型圆柱结构方式来实现工作频带的展宽，是因为在工程实践中由于换能器工作频段、结构尺寸、指向性等问题相互制约，采用纵弯耦合模态实现扩展频带并兼顾指向性的要求有一定的困难。

1 数值仿真

星型柱面换能器结构由 6个各带辐射头的压电堆共享一个后质量块组合而成。图1（a）为星型柱面换能器示意图。为了实现不同谐振频率的星形圆柱换能器堆叠，并考虑二者外形尺寸基本一致，2个星型结构分别采用不同直径的陶瓷，通过调节陶瓷长度和后质量块大小，来实现两个结构谐振工作频率的间距匹配，达到扩展带宽的要求。采用有限元方法，对换能器进行数值仿真。图1（b）是由两个高低频谐振堆叠式星型柱面换能器的1/12物理模型。上下两端为端盖，中间为两个星型结构换能器。

仿真的水中发送电压响应如图2，曲线声取向分别拾取换能器中心和辐射头中心、换能器中心和辐射头周向末端与虚线圆相交两点的结果（见图2右下示意），-3 dB带宽为9～13.5 kHz。换能器直径约φ160 mm，加两端端盖总高约140 mm。指向性仿真曲线见图3。图中为仿真的 1/12结构的指向性曲线，根据对称性可得到其它部分的曲线。图中两条曲线分别为10 kHz和12 kHz的指向性曲线。-3 dB指向性满足360°全指向性特性。

图1 堆叠式星型换能器结构及仿真模型

图2 堆叠式星型换能器发送电压响应

图3 堆叠式星型换能器指向性

2 实验测试

根据有限元仿真结果，制作了堆叠式星型柱面换能器实物。辐射头为硬铝，陶瓷为PZT4，后质量硬铝。端盖采用钛合金。

2.1 空气中谐振频率

图4为谐振频率较高一点的星型柱面换能器示意图。图5为空气中测试两个星型圆柱换能器。两个谐振峰分别在10.2 kHz和12.4 kHz。

图4 星型圆柱换能器组装图（高频）

图5 两个星型圆柱换能器测试（空气中）

2.2 水中测试结果

图6左为堆叠星型圆柱换能器封装完成后的照片，加安装端盖后直径约φ200 mm，右图为水中测试照片。

图6 堆叠星型圆柱换能器

图7为测试的水中发射电压响应。可以看到，图中曲线与图2的仿真结果变化趋势基本一致，辐射头声中心的发射电压响应在高频端较高，原因是活塞固有的发射波束开角和频率相关，在高频端，辐射面相对较大，使得高频端开角变小，造成周向末端方向的发送电压响应叠加要小于辐射头中心方向的值。辐射头周向末端的发射电压响应曲线在8～12 kHz内平缓，在工作频带内最高响应在138 dB左右。换能器实测结果的低频谐振峰比仿真结果低，原因与堆叠结构整体的阻抗加大、灌封及安装后的结构阻尼加大有关。

图7 堆叠星型圆柱换能器水中发射响应

从图2和图7对比可看到，在高频段实测值和仿真结果趋势是一致的，即两条发送电压响应曲线在高频端所示的辐射头中心的响应值逐渐高于周向末端的响应值，但由于实测发送响应曲线整体向低频端移动，实测的两条响应曲线相比于仿真结果在高频13 kHz以后差别加大。高频段差别加大的原因是由于两个换能器堆叠的谐振频率不同，且周向末端的振幅大于辐射面中心的振幅，二者振动相位的不一致引起差别较大。

图8为指向性测试曲线，可以看到，换能器在8.5 kHz、12 kHz，-3 dB开角达到了360°，在工作频段内可实现无指向性的声发射。