基于ATILA的寬帶超磁致伸縮縱振換能器設計

李寬，藍宇，李琪

(哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

目前國內使用較成熟的換能器分析軟件，無法對磁致伸縮類型的換能器直接進行建模分析，例如ANSYS有限元軟件，它不具有解決磁致伸縮機電耦合問題的模塊，而是通過壓電-壓磁比擬法進行類比計算的［1］，并且很多計算結果還要進行適當的轉換，過程相對繁瑣，容易出錯.作為國內新引進的專業換能器分析軟件，ATILA對于此類問題的分析優勢明顯，國外使用此軟件解決各類換能器問題已有多年經驗［2］，但在國內還只是剛剛起步.如何利用好ATILA有限元軟件對換能器進行準確有效的分析，發揮出其優異的性能，是目前需要研究的課題.稀土超磁致伸縮材料TbxDy1-xFe2-y，具有較低的各向異性，并可以獲得較大的磁致伸縮系數［3］.這種材料的應變比壓電陶瓷的大4倍以上，能量密度比壓電陶瓷的大10倍以上，并且楊氏模量較低，因此常被用于設計低頻、大功率水聲換能器［4-5］.其中，應用最多的是結構相對簡單、性能穩定的縱振式換能器.歐美一些國家設計出了不同結構形式的超磁致伸縮縱振換能器［6-7］，近些年，國內很多研究機構也進行了相關研究［8-9］，結果均顯示了其在中低頻段具有優良的性能.本文利用ATILA有限元軟件建模并計算了一個稀土超磁致伸縮材料作為驅動元件的縱振換能器，通過縱向振動和彎曲振動耦合實現寬頻帶發射.換能器磁路部分的設計是通過ANSYS有限元軟件完成的，以確定換能器內部驅動的結構形式.最后給出了所制作的寬帶超磁致伸縮縱振換能器的測試結果.

1 ATILA有限元軟件介紹

ATILA最初是由法國ISEN公司開發的一套輔助設計聲吶傳感器的有限元分析軟件.后經不斷的發展和更新，使之成為解決傳感器、換能器的專業分析工具.軟件里對無載荷的彈性、壓電、電致伸縮和磁致伸縮結構可以進行靜態分析、模態分析、諧響應分析和瞬態分析，得到位移場、波節面位置、應力場、遠場和近場聲壓、發送電壓響應、指向性以及電阻抗等.目前國內各研究部門接觸這款軟件的時間都不是很長，軟件的各方面性能還在探索之中.

ATILA軟件本身并沒有方便快捷的操作界面，雖然可以進行后處理計算，但分析功能要受到一定的限制.而GiD軟件常用于計算機輔助分析的前后處理，涵蓋信息、幾何特征和網格生成，及各種可視化顯示類型，所以在GiD軟件中形成ATILA的接口界面，在 GiD中進行前后處理，界面更加友好、方便［10］.

利用GiD和ATILA進行設計的主要流程如下圖1所示，前處理中要進行幾何建模、賦材料屬性、施加邊界條件、進行網格劃分以及一些計算條件的設定，然后進行計算，計算結束后在后處理中就可以進行阻抗、諧振模態、位移和壓力分析等.

圖1 ATILA軟件設計流程Fig.1 The design flowin ATILA soft ware

2 磁路部分設計

稀土超磁致伸縮材料需要工作在一定的預應力以及恰當的偏置磁場下，才能發揮最佳的性能，所以需要對磁路結構進行合理的設計.用ANSYS有限元軟件建立換能器稀土部分磁路，磁路中的磁力線分布如圖2所示.永磁體和稀土棒之間添加了具有高磁導率的電工純鐵片，使稀土棒在靜態條件下磁感應強度更加均勻.對于單棒結構來說，如果沒有閉合磁路，永磁體提供的磁力線將大多無法返回到稀土棒中，降低工作效率.所以，外部增加純鐵管構成閉合磁路，可減少漏磁［11］.從圖中可以看出，稀土棒軸向磁力線分布比較均勻，漏磁現象得到明顯抑制.

圖2 磁路中磁力線分布Fig.2 magnetic force line distribution ofmagnetic circuit

3 換能器有限元模型分析

3.1 模型的建立

對于單一振動模態的縱振換能器來說，實現寬帶有一定的難度，但可以通過多系統或多模態的方法來實現，其中利用換能器縱向振動和前蓋板彎曲振動相耦合就是一種常見而有效的拓寬頻帶的方法［12］，本文就是利用這種方法對換能器的結構進行設計的.

圖3 換能器結構示意Fig.3 The configuration figure of the transducer

圖3所示為在ATILA有限元軟件中建立的換能器二維軸對稱模型，各部分結構如圖中所示，前蓋板材料是硬鋁，后蓋板材料是黃銅，預應力螺桿材料是45#鋼.驅動部分由3根內徑8 mm、外徑20 mm、長30 mm的稀土棒串聯連接而成.軟件中自帶一些常用材料，但是永磁、純鐵等材料需要手動輸入材料參數，并添加到材料庫中.

3.2 空氣中有限元模型分析

換能器磁路的外部被可導磁的空氣所包圍，其他材料的導磁性能也要進行相應的設定.此模型要對激勵元件指定極化方向，并輸入恰當的線圈參數，然后就可以進行有限元的網格劃分并對模型進行計算.

首先對換能器進行空氣中的模態分析，可得到換能器的固有頻率和振型.圖4為空氣中有限元模型的前兩階振動模態位移矢量圖，縱向振動頻率為3.66 kHz，前蓋板彎曲振動頻率為8.15 kHz.

圖4 換能器模態位移矢量圖Fig.4 The figure of displacement vector for mode of the transducer

與其他有限元軟件一樣，ATILA可以進行線性結構的諧波響應分析，計算得到換能器空氣中的阻抗曲線，如圖5所示，縱向振動諧振頻率為3.5 kHz，諧振時電阻值為51.2Ω，前蓋板彎曲振動諧振頻率為8 kHz，諧振時電阻值為12.5Ω.

圖5 換能器空氣中阻抗曲線Fig.5 The impedance curves of the transducer in air

3.3 水中有限元模型分析

水中的模型要在前蓋板的外部構建流體部分，并且要在流體的外部施加輻射邊界條件，模擬遠場吸收邊界.劃分網格后的水中有限元模型如圖6所示，一共有604個四邊形單元，圖中流體部分的尺寸對于ATILA軟件來說已形成遠場條件.

計算得到的換能器的水中阻抗曲線如圖7所示，縱向振動諧振頻率為2.5 kHz，諧振峰處電阻值為8.7Ω，前蓋板彎曲振動諧振頻率為 6.7 kHz，諧振峰處電阻值為10.6Ω.

圖8所示為換能器在2.5 kHz時的聲壓幅度分布.根據遠場聲壓值計算得到的換能器水中發送電流響應(TCR)曲線如圖9所示，在6.8 kHz時響應值最大為195 dB.圖中同時給出了在換能器尺寸結構相同的情況下ANSYS有限元軟件的計算結果，通過對比可以看出ATILA和ANSYS的計算結果吻合度較好，由于2個軟件對于磁致伸縮換能器的建模思想和計算方法有較大區別，而且涉及很多不同的細節問題，對于同一模型計算出的曲線無法完全擬合屬于正?，F象.

圖6 換能器水中有限元模型Fig.6 The finite elementmodel of the transducer in water

圖7 換能器水中阻抗曲線Fig.7 The impedance curves of the transducer in water

圖8 換能器水中2.5 kHz時的聲壓分布Fig.8 The pressure distribution of the transducer at 2.5 kHz in water

圖9 換能器水中發送電流響應曲線Fig.9 The transmitting current response curves of the transducer in water

4 換能器的制作與測量

4.1 換能器的制作

根據磁路部分和結構部分的設計，制作的換能器樣機如圖10所示，換能器總長191 mm，最大外徑120 mm，未封裝時的重量為7.2 kg.

圖10 超磁致伸縮縱振換能器實物Fig.10 The practical figure of the giantmagnetostrictive longitudinal vibration transducer

4.2 換能器的測量

換能器的水中性能測量是在非消聲水池進行的，換能器置于水深2 m處，利用WK6500阻抗分析儀對換能器水中的阻抗進行了測試，結果如圖11所示.制作的換能器縱振動諧振頻率為2.6 kHz，諧振峰處電阻值為30.8Ω，前蓋板彎曲振動諧振頻率為6.7 kHz，諧振峰處電阻值為41.3Ω.與圖7中仿真結果相比較，諧振頻率保持一致，測量的阻抗值要高于仿真結果，這是因為有限元的仿真結果只能得到換能器的動態阻抗，而實際換能器還存在靜態阻抗.

測量得到的換能器水中發送電流響應曲線如圖12(a)所示，起伏為9 dB，在6.6 kHz時響應值最大為187 dB.與圖中ATILA的仿真結果相比較，發現諧振頻率和起伏趨勢對應較好，只是測量得到的響應值比仿真值平均低3～5 dB，這是因為在換能器中，渦流效應以及空氣隙處的磁漏都會帶來一些損耗，降低換能器的發射效率.圖12(b)為換能器水中聲源級(SL)測試曲線，在2～7 kHz頻帶內，測試值均不低于190 dB.

圖11 換能器阻抗測試曲線Fig.11 Themeasured impedance curves of the transducer

圖12 換能器發送電流響應和聲源級測試曲線Fig.12 The measured transmitting current response and source level curves of the transducer

5 結論

本文嘗試用ATILA有限元軟件建立了一個縱振式超磁致伸縮換能器模型，在磁路分析的基礎上，進行了換能器空氣中和水中的模態和諧響應分析.

作為新引進的換能器專業分析軟件，ATILA對于磁致伸縮換能器的分析在國內才剛剛起步，還有很多問題需要解決.但模型構建上的便捷性，材料屬性和邊界條件的直觀性，使其還有進一步發展的空間.

對于設計的縱振式超磁致伸縮換能器:

1)換能器工作頻帶為2～7 kHz，發送電流響應最大值為187 dB，在頻帶范圍內，不進行阻抗匹配的情況下，聲源級均不低于190 dB.

2)本文基于ATILA的分析與ANSYS的仿真結果以及測量結果都進行了對比，吻合度較好，證明了其分析過程的正確性，為今后各種磁致伸縮結構換能器的研究增加了一種簡單、有效的分析方法.

3)本文設計的換能器在小尺寸的情況下實現了寬帶、大功率發射，可以單獨使用，也可以組成陣列工作.

設計的縱振式超磁致伸縮換能器性能上還有提升的潛力，例如增加激勵材料的體積、進行更合理的結構設計、對換能器進行阻抗匹配等，可以使換能器在更低的頻率實現更高功率的發射.

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