匹配層水聲寬帶換能器性能分析

田豐華, 何文峰, 張 俊

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匹配層水聲寬帶換能器性能分析

田豐華, 何文峰, 張 俊

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

為了提高現代魚雷的作戰性能, 適應復雜環境, 研制了寬帶自導系統, 旨在提高聲納基陣的整體性能。本文采用了有限元分析方法, 借助ANSYS軟件設計了匹配層水聲寬帶換能器, 通過調整匹配層的聲速、密度及厚度, 分析了該類換能器的性能, 包括換能器諧振頻率、發送電壓響應、自由場電壓接收靈敏度以及收發頻帶寬度等, 并對其結構進行了優化。研制了匹配層水聲寬帶換能器并進行了水池試驗, 對比分析了理論設計與試驗結果, 其測試結果與計算結果具有較好的一致性。本文研究可為聲納基陣設計提供借鑒。

魚雷自導系統; 匹配層; 寬帶換能器; 電聲性能; 有限元方法

0 引言

為了提高作戰性能, 適應復雜環境, 現代魚雷大多采用寬帶自導系統, 其優勢在于: 1) 主動探測能力強。自導系統工作頻帶寬, 并向低頻段延伸, 提高了自導系統的遠程探測能力, 可以彌補安靜型潛艇由于目標強度降低而造成作用距離的減少。2) 主被動可同時工作, 寬頻帶自導系統由于工作帶寬大, 可主被動同時工作, 對抗難度大, 同時可提高自導系統的反對抗能力。3) 環境適應能力強, 在淺海復雜環境條件下, 海面、海底反射形成的混響是影響自導性能的重要因素, 寬帶信號可提高魚雷混響背景中的檢測能力。

目前, 針對寬帶自導系統所用換能器而言, 匹配層水聲寬帶換能器是比較理想的選擇。因此, 本文結合工程實際應用背景, 針對匹配層水聲寬帶換能器進行了深入研究, 為后續寬帶聲納基陣的研制奠定堅實的基礎。

1 理論分析

目前水聲換能器的設計主要借助有限元理論、邊界元理論和機電耦合理論作為理論指導, 本文從工程應用的角度, 簡要介紹匹配層水聲寬帶換能器的設計理論。

匹配層技術的應用能有效拓寬換能器的工作頻率, 但在實際應用中輻射面的大小不一, 特別在布陣使用中, 由于障板和互輻射的作用, 基陣的諧振頻率比單個基元高, 這是由于換能器輻射抗減少的緣故。匹配層厚度在理論上應取換能器諧振頻率波長的1/4, 即認為此時可獲得最大的帶寬, 其前提條件是輻射面尺寸比工作波長大的多, 輻射抗比較小, 換能器諧振頻率不因輻射抗的存在產生偏移。實際上, 這樣的條件在自導基陣中很難滿足, 必須對匹配層厚度進行修正, 以獲取基陣的最佳性能。匹配層及參數的設計理論為

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理論上選取最佳匹配層的厚度為換能器諧振頻率波長的1/4, 且

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即, 有

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故修正后的匹配層厚度可表示為

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從上述理論推導可看出, 在應用匹配層技術的過程中, 主要涉及到匹配層的聲速、密度及匹配層的厚度等參量, 其中的關鍵參量為聲速, 聲速取值越大, 電導帶寬越寬, 且中間的凹谷亦越深, 聲速大到一定程度時, 帶寬將產生不連續。

2 匹配層水聲寬帶換能器有限元計算

2.1 空氣介質中匹配層水聲換能器性能

主要分析了換能器在灌注匹配層前后的電導、電納的變化規律（如圖1、圖2所示）。其作用在于控制水聲換能器的諧振頻率以及阻抗特性, 為水域介質中的換能器頻段分析提供參考。圖中顯示了換能器在灌注匹配層前后諧振頻率的變化, 尤其是灌注匹配層后, 在一定的帶寬內, 換能器出現了2個主諧振峰, 用于拓展換能器的帶寬。

圖1 空氣介質中灌注匹配層前換能器電導/電納/導納-頻率曲線

圖2 空氣介質中灌注匹配層后換能器電導/電納/導納-頻率曲線

2.2 水域介質中匹配層水聲換能器性能

建立了3D流體模型, 理論計算了匹配層灌注前后換能器的電導、電納及導納性能（見圖3和圖4）。圖4中, 匹配層換能器的電導曲線趨于平坦, 在一定程度上決定了匹配層換能器發射性能的平坦性。電納曲線也趨于平坦, 給寬帶匹配提供了便利, 在不同頻點上基陣的電聲轉換效率也會相應的提高。圖5為發射性能的計算結果, 體現了匹配層換能器的寬帶性能。

圖3 水域介質中灌注匹配層前換能器電導/電納/導納-頻率曲線

圖4 水域介質中灌注匹配層后換能器電導/電納/導納-頻率曲線

圖5 水域介質中灌注匹配層前后發送電壓響應-頻率曲線

3 試驗驗證

在上述研究的基礎上, 研制了匹配層水聲寬帶換能器, 對其性能進行了測試, 其結果如下。

3.1 空氣介質中匹配層換能器性能測試

為了便于總結規律, 從而對匹配層進行深入研究, 本文用4194A阻抗分析儀在空氣介質中對匹配層灌注前后換能器的電導、電納及阻抗分別進行了性能測試, 其結果如圖6~圖8所示。

從圖6和圖7可以預判匹配層換能器的工作帶寬及帶內發射性能的平坦性。從圖8可以看出, 匹配層換能器是高阻換能器。另外, 在正常大氣壓下, 對匹配層換能器進行了機械強度的測試, 結果表明, 該匹配層換能器能耐3 000 V的直流高壓, 通過的電流峰峰值1.0 A以上。

圖6 空氣介質中灌注匹配層前換能器電導/電納-頻率測試曲線

圖7 空氣介質中灌注匹配層后換能器電導/電納-頻率測試曲線

圖8 空氣介質中灌注匹配層前后換能器阻抗-頻率曲線

3.2 水域介質中匹配層換能器性能測試

3.2.1 發射性能測試

使用水聲自動化測量系統對匹配層換能器進行了發送電壓響應及發射指向性測試, 其中發射指向性測了2個頻點, 分別為=20 kHz,=30 kHz, 結果如圖9~圖11。圖12可看出, 匹配層換能器的源級較大, 所需要功率也較大, 但整個帶內較平坦, 是工程應用中實現換能器寬帶性能的較好選擇。

圖9 匹配層換能器的發送電壓響應-頻率測試曲線

圖10 f=20 kHz時匹配層換能器束寬-角度測試曲線

圖11 f =30 kHz時匹配層換能器的束寬-角度測試曲線

圖12 匹配層換能器的源級-頻率測試曲線

3.2.2 接收性能測試

使用水聲自動化測量系統測量了匹配層換能器接收性能。測試結果如圖13所示。由圖中可以看出, 匹配層換能器的自由場電壓接收靈敏度起伏較小, 接收靈敏度較高。

圖13 匹配層換能器自由場電壓接收靈敏度-頻率曲線

4 結束語

本文從理論設計、仿真計算和試驗驗證3個層面對匹配層換能器進行了較為深入的研究; 從工程應用的角度, 對匹配層換能器進行了機械強度和大功率發射測試。通過分析可知, 復合棒縱向振動換能器的輻射面上灌注阻抗匹配層之后, 其發射、接收性能及工作頻帶寬度都有較大幅度的提高; 理論、仿真設計的發射性能、接收性能、頻帶寬度、諧振頻率等與試驗結果具有較好的一致性。另外, 由于障板的材料、大小及厚度、去耦材料及透聲層厚度對匹配層換能器的聲學性能都有較大影響(尤其透聲層厚度會受到流體線形的制約), 需要在工程應用中做更加深入的研究。本文對匹配層換能器所做的設計和分析, 對聲納基陣的發展具有借鑒意義, 為工程應用中聲納基陣的研制奠定基礎。

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(責任編輯: 楊力軍)

Performence Analysis on Broadband Transducer with Matching Layer

TIAN Feng-hua , HE Wen-feng , ZHANG Jun

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

A broadband transducer with matching layer was designed with finite element method（FEM）and ANSYS software to make modern torpedo adapt complicated environment. The acoustic velocity, density and thickness of the matching layer were adjusted to analyze the acoustic characteristics of the transducer, including syntonic frequency, transmitting voltage response, receiving sensitivity of free field voltage, and receiving transmitting frequency bandwidth, and to optimize its structure. Tank test of the transducer was conducted, and the results agreed well with computation. This study may offer a reference for sonar array design.

torpedo homing system; matching layer; broadband transducer; electroacoustic characteristic; finite element method(FEM)

TJ630.34; TP273.4

A

1673-1948(2012)06-0428-04

2012-03-06;

2012-05-09.

田豐華(1981-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向為魚雷聲學裝置.