一種多諧振寬帶復合棒聲學換能器的設計與性能分析

田豐華, 宋 哲

?

一種多諧振寬帶復合棒聲學換能器的設計與性能分析

田豐華, 宋 哲

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

為了拓展壓電聲學換能器工作帶寬, 提高發射性能, 減小發射起伏, 綜合利用了匹配層、雙激勵、彎曲振動、中間質量塊開槽等拓展帶寬的方法, 設計了一種新型多諧振寬帶復合棒聲學換能器。利用有限元方法對該換能器進行了模態分析, 研究了匹配層厚度、中間質量塊尺寸對其發射性能的影響。通過試驗驗證, 得到該換能器工作帶寬12 kHz~42 kHz, 發送電壓響應大于140 dB, 頻帶內發送電壓響應起伏小于6 dB。試驗測試結果與計算結果具有較好的一致性。

聲學換能器; 多諧振寬帶; 模態分析; 有限元方法

0 引言

為了提高魚雷自導系統的探測能力, 適應復雜環境, 獲取更多的水下信息, 現代水下裝備武器多采用寬頻帶水聲換能器。其優勢在于: 1) 水聲換能器工作頻帶展寬, 并向低頻段延伸, 可以彌補安靜型潛艇由于目標強度降低而造成作用距離減小的缺點; 2) 環境適應能力強, 在淺海復雜環境下, 海面、海底反射形成的混響是影響水下尖端武器性能的重要因素, 寬帶信號可提高其混響背景下的檢測能力; 3) 估計目標運動要素精度高, 利于遠距離真假目標識別和近程的垂直命中精確打擊, 即距離分辨力與信號帶寬成正比, 帶寬越寬, 距離分辨力精度越高, 目標識別能力強, 寬帶信號可以使目標回波攜帶更多的目標信息, 具有很強的目標識別能力。由于縱振復合棒換能器的機電轉換效率高、性能穩定可靠、布陣便捷、單指向性等優點, 廣泛應用于魚雷自導系統聲學裝置、水下探測、仿真系統等領域, 是近些年國內外學者研究的熱點, 主要體現在拓展縱振復合棒換能器的頻帶寬度方面。目前, 針對拓展縱振復合棒換能器的頻帶寬度研究, 主要應用匹配層[1-4]、雙激勵[5-7]、彎曲振動[8]、開槽等技術, 通常可獲得近一個倍頻程的帶寬。為了進一步拓展聲學換能器的頻帶寬度, 文章對多諧振聲學換能器進行了深入研究, 主要通過匹配層、雙激勵、中間質量塊開槽、彎曲振動等多種方法獲得縱振復合棒換能器的多諧振峰。由于多種彎曲振動的耦合, 很難控制聲學換能器各部件的相位, 導致在頻帶內發射性能不連續(帶內起伏較大)。文中通過結構優化, 在后質量塊、后壓電晶堆與預應力螺桿之間加位移約束, 使三者之間的相位基本一致, 在透聲層的厚度及材料方面也進行了優化設計, 解決了帶內發射性能不連續問題, 進行了大批量生產, 并已在工程上推廣應用。

文中利用多項技術, 研制了多個諧振點的縱振復合棒換能器, 通過對彎曲振動耦合的研究, 解決了縱振復合棒換能器各部件之間的相位一致性, 使得縱振復合棒換能器的工作頻帶在多諧振點間連續, 從而形成了多諧振寬帶聲學換能器; 采用新型壓電陶瓷材料, 并對結構尺寸進行優化, 大幅度提高了該類換能器的發射性能。文中研究的多諧振寬帶聲學換能器, 其工作帶寬達到了30 kHz, 發送電壓響應大于140 dB, 理論計算結果和實測結果較為一致, 并已在工程項目上應用。

1 多諧振寬帶聲學換能器工作原理

1.1 結構組成

多諧振寬帶聲學換能器主要由匹配層、前蓋板、前壓電晶堆、中間質量塊、后壓電晶堆、后蓋板、中空預應力螺桿等組成, 其結構如圖1所示。

1.2 寬帶聲學換能器多諧振產生機理

為了達到拓展聲學換能器帶寬及提高發送電壓響應的目的, 應用了匹配層、雙激、中間質量塊開槽及彎曲振動技術, 獲得聲學換能器的多模振動。匹配層換能器是在單模復合棒縱振換能器的輻射頭上增加一層匹配層, 通過聲阻抗耦合, 使得該換能器產生2個諧振峰來拓展頻帶寬度, 主要涉及到匹配層材料的聲速、密度及厚度等參量, 其中, 聲速取值越大, 點到帶寬越寬, 2個諧振峰之間的凹谷亦越深, 聲速大到一定程度時, 帶寬將產生不連續; 雙激勵換能器是通過2個諧振頻率的合理選擇來拓展換能器的帶寬, 在低頻時, 前蓋板、前壓電晶堆和中間質量塊共同構成等效前蓋板, 高頻時, 后質量塊、后壓電晶堆和中間質量塊共同構成等效后質量塊, 該類換能器的工作帶寬有限, 其發送電壓響應也較低; 前蓋板彎曲振動聲學換能器是通過調整輻射頭的大小, 使聲學換能器的諧振頻率和彎曲振動頻率的間距在合適的區間內, 用于拓展該類換能器的頻帶寬度, 該類換能器的發送電壓響應可以做的很高, 但會受到布陣空間及工作深度的限制。

4種技術同時應用于聲學換能器[1-2], 將產生更寬的帶寬, 適當調整雙激勵換能器的電極位置, 在該換能器的輻射頭上灌注匹配層, 即在雙激勵的2個諧振峰之間產生第3個諧振峰, 同時, 對應的雙激勵換能器的第1階諧振頻率向低頻段移動, 高頻段諧振頻率基本保持不變, 在此基礎上適當調整輻射頭的面積及厚度、匹配層的厚度、中間質量塊開槽產生多個彎曲振動模態, 控制彎曲振動模態與雙激勵換能器的高頻模態之間的間距, 優化結構, 約束后質量、后壓電晶堆與螺桿的相位, 達到再次拓展帶寬的目的。

2 多諧振寬帶聲學換能器有限元分析

為了提高該類換能器的聲學性能, 驗證多項技術的有效性, 結合工程實際研究設計了多諧振寬帶聲學換能器。主要技術參數涉及到匹配層厚度、輻射頭尺寸、電極位置、中間質量塊材料及尺寸、中間質量塊環形開槽的深度、后質量塊的材料及尺寸、透聲層材料及厚度、壓電陶瓷的厚度(與發送電壓響應有關)、前壓電晶堆和后壓電晶堆的片數及徑向尺寸等。在確定中間質量塊開槽寬度和深度是2 mm, 且對后壓電晶堆、后質量塊及預應力螺桿三者之間進行位移約束(使三者之間的相位基本一致)的條件下, 主要分析2個關鍵因素即匹配層厚度、及中間質量塊的長度對該類換能器聲學性能的影響。

2.1 多諧振寬帶聲學換能器模態分析

依據多諧振寬帶換能器的結構尺寸, 建立了有限元模型如圖2所示。

主要計算了多諧振寬帶聲學換能器在空氣介質中的前5階模態振型, 如圖3~圖7所示, 其中第1階模態對應的頻率為16.107 kHz, 第2階模態振型對應的頻率為22.239 kHz, 第3階模態對應的頻率為29.979 kHz, 第4階模態振型對應的頻率為35.239 kHz, 第5階模態對應的頻率為41.181 kHz。其作用在于觀察多諧振寬帶聲學換能器的多個諧振頻率以及對應的阻抗特性是否在所要求的頻帶范圍之內, 為水域介質中該類換能器頻段分析提供參考。

2.2 發送電壓響應與匹配層厚度的關系

在壓電晶堆、輻射頭、中間質量塊和后質量塊等參數不變的條件下, 通過改變灌注匹配層厚度, 計算多諧振寬帶聲學換能器的發送電壓響應, 從而總結其變化規律, 結果如圖8所示。

從圖8可看出, 隨著匹配層厚度的增加, 除第3階諧振頻率(雙激勵換能器的第2階諧振頻率)變化不明顯外, 其他4階諧振頻率都向低頻端移動, 尤其高頻段諧振頻率向低頻移動更明顯; 隨著匹配層厚度的增加, 除第2階諧振頻率對應的發送電壓增加外, 其他4階諧振頻率對應的發送電壓響應均減小, 尤其第3階諧振頻率對應的發送電壓響應減小明顯。匹配層厚度參數對于調整該類換能器的帶寬及帶內發送電壓響應的平坦度具有重要作用。

2.3 發送電壓響應與中間質量塊長度的關系

在多諧振寬帶聲學換能器其他尺寸及材料參數不變的條件下, 通過調整中間質量塊的長度, 研究該類換能器的發送電壓響應、帶內起伏等發射性能的變化規律, 結果如圖9所示。

由圖9可看出, 隨著中間質量塊的增加, 該類換能器對應的5階諧振頻率均向高頻端移動; 發送電壓響應在前3階諧振頻率處均下降, 但在彎曲振動頻段升高; 帶內起伏減小。該參數可用于調整聲學換能器的帶寬和發送電壓響應在帶內的起伏, 尤其是第2階諧振頻率對應的發送電壓響應的大小。

3 試驗結果與分析

在空氣介質和水域2種情況下對所研制的多諧振寬帶聲學換能器進行了性能測試, 結果如下。

3.1 空氣介質中多諧振寬帶聲學換能器性能測試

用4294阻抗分析儀在空氣介質中對該換能器進行了性能測試, 其結果如表1所示。可看出, 實測值與設計值之間在低頻段相差較大, 在高頻段具有較好的一致性。

3.2 水域介質中多諧振寬帶聲學換能器性能測試

3.2.1 諧振頻率測試

用4294阻抗分析儀在水域對該換能器進行了性能測試, 其結果如表2所示。可看出, 在低頻段, 實測值比設計值偏低, 并且與空氣介質相比實測值變化很小, 但設計值變化較大, 逐漸與實測值靠近; 在高頻段兩者具有較好的一致性。

表1 空氣介質中諧振頻率實測值與設計值比較

表2 水域中諧振頻率實測值與設計值比較

3.2.2 發送電壓響應測試

使用水聲自動化測量系統對多諧振寬帶聲學換能器的發送電壓響應進行了測試, 其結果如圖10所示。

從圖10可以看出, 該聲學換能器在12 kHz~ 42 kHz頻段內的發送電壓響應為141.5 dB~146.8 dB, 起伏5.3 dB; 設計值為140 dB~146.8 dB, 起伏6.8 dB; 將設計值與實測值相比, 設計值的頻率偏高, 但發送電壓響應具有較好的一致性。

3.2.3 發射指向性測試

使用水聲自動化測量系統對多諧振寬帶聲學換能器在3個頻率點(=14 kHz,=25 kHz,=40 kHz)上的發射指向性進行了測試, 其結果如圖11所示。

由圖11可以看出, 所研制的多諧振寬帶聲學換能器在頻率=14 kHz時對應的–3dB束寬為76°, 在頻率=25 kHz時對應的–3dB束寬為73°, 在頻率=40 kHz時對應的–3dB束寬為38°。可根據具體要求通過調整聲學換能器在殼體中的位置控制–3 dB束寬[3]。

4 結束語

文中對匹配層、雙激勵、彎曲振動等多種拓展復合棒聲學換能器的技術進行了綜合研究, 在對后壓電晶堆、后質量塊與預應力螺桿三者進行位移約束(使三者之間的相位基本一致)的條件下, 采用有限元方法設計計算了頻帶12 kHz~42 kHz的發射型多諧振寬帶聲學換能器, 并進行了試驗驗證。從理論計算和試驗結果可看出, 所研制的聲學換能器帶寬可達到30 kHz以上, 發送電壓頻率響應大于140 dB, 帶內起伏小于6 dB; 設計值與試驗結果相比, 其低頻段諧振頻率高2 kHz左右, 發射性能與試驗結果較為吻合。針對該多諧振聲學換能器, 重點計算了匹配層厚度、中間質量塊長度對其發射性能及頻段的影響, 選擇合適的匹配層厚度、中間質量塊長度、壓電陶瓷片尺寸等, 可獲得更高的發送電壓響應和大的頻帶寬度, 并在該頻段內實現較為平坦的發送電壓響應。另外可采取網絡調諧和匹配技術使該類換能器的發送電壓響應在帶內的起伏可降到更小, 來實現多諧振寬帶大功率發射[9]。針對該類換能器的發射指向性問題, 可根據實際需要, 通過控制聲學換能器在殼體中的位置做適當調整。該項技術的綜合應用可對拓展聲吶基陣的工作帶寬、提高整體發射性能[10]提供參考。

[1] 田豐華, 何文峰, 張俊. 匹配層水聲寬帶換能器性能分析[J]. 魚雷技術, 2012, 20(6): 428-431. Tian Feng-hua, He Wen-feng, Zhang Jun. Performance Analysis on Broadband Transducer with Matching Layer[J]. Torpedo Technology, 2012, 20(6): 428-431

[2] 周利生, 胡青. 水聲發射換能器技術研究綜述[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2010, 31(7): 932-937. Zhou Li-sheng, Hu Qing. Summarization of Underwater Acoustic Projector Technologies[J]. Journal of Engineering University, 2010, 31(7): 932-937.

[3] 童暉, 周益明, 王佳麟, 等. 高頻寬帶換能器研究[J]. 聲學技術, 2013, 30(6): 475-481. Tong Hui, Zhou Yi-ming, Wang Jia-lin, et al. Study of High Frequency Broadband Transducer[J]. Technical Acoustics, 2013, 30(6): 475-481.

[4] 李汶潔, 谷傳欣, 仲超, 等. 層疊復合材料寬帶換能器設計[J]. 電子元件與材料, 2015, 34(10): 68-71. Li Wen-jie, Gu Chuan-xin, Zhong Chao, et al. Design of Broadband Transducer with Composite Pile[J]. Electronic Components and Materials, 2015, 34(10): 68-71.

[5] 李志強, 張運強, 陳元民, 等. 雙激勵縱彎耦合寬帶復合棒水聲換能器[J]. 應用聲學, 2013, 32(6): 473-479. Li Zhi-qiang, Zhang Yun-qiang, Chen Yuan-min, et al. A Longitudinal-flexural Coupling Broadband Tonpilz Un- derwater Transducer with Double Excitation[J]. Journal of Applied Acoustics, 2013, 32(6): 473-479.

[6] 張文波, 王明洲, 郝保安, 雙激勵寬帶水聲換能器理論研究[J]. 魚雷技術, 2007, 15(2): 34-37.Zhang Wen-bo, Wang Ming-zhou, Hao Bao-an. Theoretical Study on Broadband Underwater Transducer with Double Resonant Mode[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(2): 34-37.

[7] 林書玉. 雙激勵源壓電陶瓷超聲換能器的共振頻率特性分析[J]. 電子學報, 2009, 32(7): 472-478. Lin Shu-yu. Analysis on the Resonance Frequency of Sandwich Ultrasonic Transducers with Two Sets of Piezoelectric Ceramic Elements[J]. Acta Electronica Cinica, 2009, 32(7): 472-478.

[8] 余南輝, 范吉軍, JaeHwan Kim, 等. 壓電水聲換能器的聲學特性分析[J]. 聲學技術, 2009, 28(2): 191-195. Yu Nan-hui, Fan Ji-jun, JaeHwan Kim, et al. Acoustics Capability Analysis of Piezoelectricity Transducer[J]. Acoustics Technology, 2009, 28(2): 191-195.

[9] Rajapan D. Performance of a Low-frequency, Multi-re- sonant Broadband Tonpilz Transducer[J]. Acoust Soc Am, 2002, 111(4): 1692-1694.

[10] 平自紅. 陣列互輻射及其控制的實驗室研究[J]. 聲學與電子工程, 2007, 15(3): 51-54. Ping Zi-hong, Laboratory Study of Array Mutual Radiation and Dominator[J]. Acoustics and Electronic Engineering, 2007, 15(3): 51-54.

(責任編輯: 陳 曦)

Design and Performance Analysis of a Multi-resonant Broadband Tonpilz Acoustic Transducer

TIAN Feng-huaSONG Zhe

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

To broaden the working bandwidth of an acoustic transducer, improve its transmitting performance and reduce transmitting fluctuation, we designed a novel multi-resonant broadband Tonpilz acoustic transducer by using comprehensively the matching layer, the double exciting, the bending vibration, and slotting on the middle mass block, etc., employed the finite element method to conduct modal analysis of the transducer, and investigated the influences of the thickness of the matching layer and the size of the middle mass block on the performance of the transducer. Test verified that the working bandwidth of the transducer was 12 kHz ~ 42 kHz, the transmission voltage response(TVR) was greater than 140 dB, and the transmission voltage fluctuation in the frequency band was less than 6 dB. Calculation results were in good agreement with the test ones.

acoustic transducer; multi-resonant broadband; modal analysis; finite element method(FEM)

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.003

TJ630.34; TB556

A

1673-1948(2016)06-0412-05

2016-04-19;

2016-10-28.

田豐華(1981-), 男, 碩士, 高級工程師, 研究方向為魚雷自導系統.