稀土IV型彎張換能器研究

李寬，藍宇

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稀土IV型彎張換能器研究

李寬1,2,3，藍宇1,2

(1. 哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱 150001； 3. 中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京 100041)

IV型彎張換能器低頻發射時具有尺寸小、重量輕的特點，是一種常用的水下低頻大功率聲源。稀土超磁致伸縮材料相較于壓電陶瓷擁有更大的應變量和能量密度，并且楊氏模量較小，可以有效降低換能器諧振頻率。利用稀土超磁致伸縮材料作為激勵材料，設計了一種低頻IV型彎張換能器，對其靜態磁場和動態磁場進行了分析，構建出雙棒式磁路，并使用有限元分析軟件進行了換能器的結構建模與計算。根據計算結果制作了稀土IV型彎張換能器樣機，測試結果表明所設計的換能器與仿真結果吻合較好，水中諧振頻率為370 Hz，最大聲源級為196 dB，能夠實現低頻、大功率發射。

稀土材料；磁致伸縮；彎張換能器；有限元

0 引言

稀土超磁致伸縮材料(Terfenol-D)近些年備受青睞，被視為水聲換能器極具潛力的一種激勵材料，因其不僅擁有較高的耦合系數，而且應變比傳統鎳或壓電材料大得多，此外還具有能量密度高、楊氏模量低的特點，此種材料制成的換能器很適于在遠程聲吶及其他低頻水聲系統中應用[1,2]。稀土超磁致伸縮材料在縱振式以及圓環等換能器中都得到了較為廣泛的應用，可有效降低換能器的工作頻率[3-5]，Butler的研究團隊還將多個由稀土材料激勵的縱向活塞結構組成柱狀換能器，利用不同活塞的極性組合形成多種指向性，和同尺寸壓電陶瓷激勵的換能器相比功率更高[6]。

IV型彎張換能器具有典型的位移放大特性，并且低頻發射時具有尺寸小、重量輕的特點，是一種常用的水下低頻大功率聲源。對如何應用稀土超磁致伸縮材料激勵IV型彎張換能器，中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學以及715研究所等科研單位都展開了相關研究，并在相對較低的頻段內收獲了較好的測試結果[7-9]。本文采用稀土超磁致伸縮材料作為IV型彎張換能器的激勵源，設計了一種低頻、大功率水下發射器。換能器采用的是空氣背襯式結構，這樣有利于提高仿真值的準確度，并實現更高的聲源級。

1 稀土IV型彎張換能器設計

1.1 稀土IV型彎張換能器結構

稀土IV型彎張換能器的結構示意圖如圖1所示，包含殼體、過渡塊、稀土振子、線圈和純鐵塊幾個主要部分。換能器外部為橢圓形殼體，稀土振子置于殼體內部，外部纏繞著線圈。稀土振子與兩端的純鐵塊以及外部線圈一同構成磁路部分，純鐵塊通過過渡塊與殼體長軸方向剛性連接。換能器工作時其外部纏繞的線圈提供交變電流，稀土振子在交變磁場中伸縮變化，激勵出外部殼體的彎曲振動，向外輻射聲能。

1.2 雙棒式磁路設計

稀土超磁致伸縮材料需要在良好的磁場環境中工作，這樣才能發揮最佳的性能，所以對磁路結構進行合理的設計可以提升磁場均勻度，減少磁漏和磁性材料內部的渦流損耗，以提高換能器的工作效率[10]。單棒式磁路和雙棒式磁路都是比較常用的磁路形式，稀土IV型彎張換能器的結構特點更適合使用雙棒式磁路。而雙棒式磁路的分析比單棒式磁路更為復雜，進行磁路設計的同時還要考慮到空間可操作性以及工藝實現難度等問題。

圖2是根據換能器內部空間所設計的雙棒式磁路結構，上下共有兩組稀土振子，每個稀土振子外部都纏繞著一個獨立的線圈。每根稀土棒兩端為永磁片，兩側的純鐵塊與兩排振子共同構成了閉合式磁回路。永磁片提供恒定的靜態磁場，并且上下兩排振子中靜態磁場方向相反。

根據磁路的對稱性，建立的磁路1/2有限元模型如圖3所示，在圖2中磁路的外部建立出空氣單元。稀土棒內部中空，這樣可以降低稀土材料內的渦流損耗，中空部分用絕緣材料填充，其在模型中的單元也可視為空氣單元。在有限元模型的所有開放平面上施加邊界條件，磁力線垂直條件自動滿足，但必須有磁力線平行條件。雙棒式磁路的靜態磁場和動態磁場分析要分別用到靜態分析和諧波分析，而ANSYS有限元軟件中對于三維磁場的這兩類分析提供了兩種適用方法，即矢量位法和棱邊單元法，當存在非均勻介質以及自由度發生變化時，用基于節點的連續矢量法來進行有限元計算得到的解不夠精確，而棱邊單元法可以有效消除這種理論上的缺陷。

由于靜態磁場中不考慮隨時間變化的電流，線圈部分可看作是普通的導電體，等同為空氣。所有材料都要設置相應的磁導率，而永磁片還要給出矯頑力矢量，并控制好極化方向。圖4所示為雙棒式磁路靜態磁場下的磁感應強度分布情況，由于磁路結構本身具有對稱性，這里為了表現得更加清晰，所以只給出上半部分磁路的計算結果，正負號表示磁感應強度的方向，由圖4可知，稀土棒內部徑向磁感應強度分布比較均勻，而軸向均勻度還有提高的空間。

在動態磁場分析中，主要目標是降低驅動材料內部的趨膚效應，提升磁場均勻度，從而減小渦流損耗，更有效地利用磁場能量。動態磁場分析中需要線圈提供交變磁場，所以不再將其當作一般導電體處理。對稀土棒進行開縫處理是一種有效減小渦流損耗的方法，圖5為動態磁場下稀土棒開縫前后橫截面磁感應強度分布，由圖可知外部進行開縫處理后，截面上的磁感應強度最大值與最小值的差值為0.013 T，而未開縫時的差值為0.016 T，均勻度有所提升。

(a) 未開縫結構

(b) 外部開縫結構

圖5 動態磁場稀土棒橫截面磁感應強度分布

Fig.5 Magnetic induction intensity distribution of rare-earth cross-section in dynamic magnetic field

1.3 稀土IV型彎張換能器有限元分析

在ANSYS有限元軟件中對稀土IV型彎張換能器進行建模，利用模型所具有的空間對稱性，在空氣中以及后面的水中均構建1/4模型。換能器空氣中有限元模型如圖6所示，激勵材料為10根的稀土棒，殼體和過渡塊的材料選取硬鋁合金，稀土部分采用的是SOLID5單元，其余部分都采用SOLID45單元，模型中共包含3113個節點，2426個單元。

換能器的主要設計目標是在小尺寸下實現低頻發射，所以需要著重考慮如何通過結構優化來降低換能器的諧振頻率，此外還要保證換能器具有較高的發送電壓響應值。在優化過程中將每個變量進行獨立分析，計算結果顯示彎張換能器的殼體變化對頻率的影響比較明顯，尤其是換能器殼體的長短軸比及殼體厚度等重要參數，當增加長短軸比例時換能器頻率有明顯的下降趨勢，殼體厚度的改變同樣能夠實現頻率的有效調節。殼體的長短軸比和厚度對換能器發送電壓響應值也有影響，例如長短軸比過大或過小都不好，適中時響應值最高，所以要綜合考慮。此外，參數的選擇還要考慮到稀土振子外部纏繞的線圈需要足夠的空間，以及換能器裝配時預應力的施加等相關限制，最終確定的模型長短軸比約為3:1，殼體厚度10 mm。

首先對換能器進行模態分析，計算得到的換能器空氣中諧振頻率為686 Hz，模態位移矢量圖如圖7所示，長軸方向收縮，短軸方向擴張，其中心點處位移量最大。對于稀土超磁致伸縮材料激勵的換能器要利用壓磁-壓電類比的方法進行諧響應分析[11]，得到的空氣中阻抗曲線如圖8所示，在諧振點處的最大電阻值為12.2 Ω。

圖9所示為稀土IV型彎張換能器的水中有限元模型，換能器外部建立流體域，使用的是FLUID30單元，在流體域與殼體接觸的表面施加流固耦合條件，在流體的外邊界還要加載無限遠吸收邊界條件。稀土IV型彎張換能器仿真計算得到的發送電流響應曲線如圖10所示，最大發送電流響應值為180 dB。

2 換能器樣機的制作與測試

根據分析結果制作的換能器樣機如圖11所示，其最大線度尺寸為400 mm，未加電纜的總重量為15.8 kg。

用WK6500阻抗分析儀測試的換能器空氣中和水中的阻抗曲線分別如圖12和13所示，空氣中諧振頻率為758 Hz，比仿真值高72 Hz，這是因為仿真過程中無法模擬換能器上下蓋板夾持帶來的機械阻尼影響。諧振點處的電阻值為27.9 Ω。水中諧振頻率為370 Hz，與計算結果基本一致，此頻率下的電阻值為15.1 Ω。

在消聲水池測試的換能器發送電流響應曲線以及聲源級曲線如圖14所示，響應最大值為175 dB。與圖10相比較，仿真結果比實測結果高5~8 dB，原因在于有限元建模未能考慮磁滯損耗、渦流損耗以及蓋板夾持帶來的機械阻尼等因素。測試聲源級時功率放大器上加載了大小為6 A的電流有效值，在300~500 Hz的頻率范圍內，聲源級的測試值均大于180 dB，最大值為196 dB，實現了換能器的低頻、大功率設計。如果對換能器進行逐點的阻抗匹配，聲源級還能夠進一步提升。

3 結論

利用ANSYS有限元軟件仿真并設計了一種工作頻率低于400 Hz的稀土IV型彎張換能器，首先對提出的雙棒式磁路的靜態磁場和動態磁場進行了分析，使得稀土材料內部磁感應強度分布更加均勻，并減小了渦流損耗。然后通過壓電-壓磁類比的方法，建立了換能器結構空氣中和水中的有限元模型，分別進行頻率特性、阻抗特性和輻射特性的分析。根據分析結果設計的換能器樣機水中諧振頻率為370 Hz，最大聲源級為196 dB，實現了小尺寸、輕重量、大功率的低頻換能器設計目標。

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Research of a Class IV rare-earth flextensional transducer

LI Kuan1,2,3, LAN Yu1,2

(1.Acoustic Science and Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;2. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China;3. CETC Ocean Co., Ltd, Beijing 100041, China)

Class IV flextensional transducer with features of small size and light weight is a common underwater low frequency and high power source. Compared to piezoelectric ceramic, the rare-earth magnetostrictive material has larger strain and energy density, and lower young’s modulus, which can effectively reduce the resonant frequency of the transducer. A low frequency IV flextensional transducer driven by using rare-earth magnetostrictive material is designed. Through the analyses of static and dynamic magnetic fields, a magnetic circuit structure of dual rods type is built, and the transducer is modeled and calculated with finite element software. Based on the calculation results, a Class IV flextensional transducer is manufactured, and the simulation and experimental results are in good agreement. It is shown that the transducer is characterized by low frequency and high power, which means that the resonant frequency in water is 370Hz, and the sound source level achieves 196dB.

rare-earth material; magnetostrictive; flextensional transducer; finite element

TB565.1

A

1000-3630(2015)-05-0467-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.05.016

2014-10-20;

2014-12-06

李寬(1985－), 男, 黑龍江佳木斯人, 博士研究生, 研究方向為水聲換能器及換能器基陣。

藍宇, E-mail: lanyu@hrbeu.edu.cn