一种通孔球形换能器

李杰 赵荣荣 于祥龙 欧阳荀

（上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

球形压电陶瓷换能器作为全指向性换能器，它在空间上具有均匀辐射声场，是水声领域应用较广的换能器类型之一。它的结构简单，便于制作，性能稳定。在水声换能器设计中，当需要换能器实现水平无指向性时，通常采用圆管换能器和球形换能器。相较于圆管换能器，球形换能器更加接近于一个点声源，且球形换能器的全向特点与频率无关，在拖曳线阵等水声设备中使用可以获得较宽的工作频率范围。但是球面辐射的外形特点使其实际应用中难以安装和布放[1-2]。

目前常见的球形压电陶瓷换能器主要由压电陶瓷球壳、金属管、电极引线、密封隔振材料等组成。在现有的技术中，通常采取单向开孔的办法，在球壳的一端开孔，焊接引线。将换能器开孔的一端灌封，做水密处理。而电线和其他结构件只能从外部经过，使得球壳尺寸的设计受到很大的限制[3]。

为了充分利用球形换能器的全向特性，使得更大直径的球形换能器能够简易地进行安装，本文中将球形换能器设计为通孔结构，从通孔中可穿插固定杆或线缆，使得大直径的球形换能器能够更加便利地使用。

1 球形换能器结构设计

当球形换能器使用在较低频率时，体积较大，安装不便，使用场所会受到限制。本文设计的球形换能器通孔结构如图1所示，球壳的两端开孔并安装绝缘泡沫垫片3，防止金属圆管4与压电陶瓷球壳接触。压电陶瓷球壳使用“PZT-4”压电材料制作，径向极化，内壁为正极，外壁为负极，内外壁均附有银层做电极。通孔球形换能器使用时可在通孔中穿插固定杆，测试与使用都较为便利。

图2为球形换能器机电等效图，通过换能器的机电等效图，在已知压电陶瓷球壳的尺寸以及材料参数时可计算出球形换能器的谐振频率，作为设计球形换能器的依据。

图1 通孔球形换能器结构示意图

图2 球形换能器机电等效图

由机电等效图可求得径向振速：

谐振时有

本文中换能器的工作频段为14～35 kHz，外径为65 mm，壁厚2 mm，径向谐振频率在27 kHz左右。

2 发射响应仿真及测试

建立球形换能器的有限元模型，进行计算机仿真分析。图3为球形换能器模型，图4为仿真时设立的发射响应方向，图5～6分别为开孔直径8、12、16、20 mm时，孔与球直径比分别为0.12、0.18、0.24、0.3的通孔球形换能器开孔轴向以及垂直开孔轴向的发射响应图。从仿真得到的结果可以观察到，随着两端开孔孔径的变化，垂直开孔轴向的发射响应变化呈一定趋势。随着孔径的增大，谐振峰高度逐渐下降，谐振频率逐渐减小。对于开孔轴向，随着孔径的增大发射响应逐渐增大。

图3 通孔球形换能器模型

图4 发射响应方向

图5 垂直开孔轴向发射响应图

图6 开孔轴向发射响应图

按上述方法制成通孔球形换能器，实物图如图7所示，使用材料为PZT-4型压电陶瓷，壁厚2 mm，直径65 mm，两端开通孔直径为8 mm，将其安装在充油的PU管中进行测试，得到的发射响应曲线如图8所示。

图7 通孔球形换能器实物图

图8 发射响应曲线测试与仿真曲线

由图8可知，测试的发射响应曲线与仿真所得曲线基本相似，仿真误差约为2 dB，开孔轴向的发射响应曲线总体略高于垂直开孔轴向。这也与仿真结果相符。

3 通孔大小不同时指向性仿真研究

经仿真研究，通孔球形换能器开孔大小不同对于其指向性变化范围产生了一定的影响，分别对两端开孔直径为8、12、16、20 mm的通孔球形换能器做了仿真研究，其指向性方位图以及使用范围内各频点指向性如图9所示。通过指向性方位图以及其中五个频点的指向性图可以观察到，由于0°方向对应的是开孔轴向，频率越高时指向性的变化越明显。频率为35 kHz时，通孔直径为8 mm的球形换能器仍能保有较好的全向特性，指向性变化不超过3 dB，通孔直径为12、16、20 mm的球形换能器-3 dB 开角分别为±50°、±36°、±30°。

图9 各频点指向性图仿真

结合仿真及实验研究，为了确保球壳换能器开通孔后指向性变化较小，保留有较好的全向性能，选取的两端开孔球壳的开孔直径应不超过12 mm。

4 结论

本文通过将球形换能器设计为通孔结构，使得球形换能器能够便利地安装在水声设备上，利用球形换能器的通孔结构穿插固定杆或线缆，既节约了空间，使得球形换能器安装更加方便简易，又可获得球形换能器全向发射性能的应用。直径为65 mm、开通孔直径为 12 mm 的通孔球形换能器在 14～35 kHz工作时，谐振频率为27 kHz，最大发射响应约为150 dB，且保留有较好的全向性能。因此，将球形换能器设计为通孔结构是可行的，这种方法为球形换能器的设计提供了新的思路。