多激勵寬帶復合棒換能器設計

胡負稷, 張文波, 王明洲

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多激勵寬帶復合棒換能器設計

胡負稷1,2, 張文波1, 王明洲1,2

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西西安, 710077)

多諧振寬帶復合棒換能器因采取耦合多個振動模態的方式, 在拓寬頻帶方面取得了很好的效果而被廣泛使用。為進一步適應水聲信號技術的發展要求, 文中采用等效電路法和有限元分析法對前蓋板彎曲振動的雙激勵源多諧振換能器性能進行了對比分析, 2種方法所得結論吻合較好。最后采用ANSYS有限元分析軟件對三激勵源多諧振換能器進行了研究。結果表明, 雙激勵多諧振換能器的帶寬得到有效拓寬, 三激勵源多諧振換能器在工作頻帶內受質量塊厚度的影響較小。文中工作可為多諧振寬帶換能器帶寬和起伏的設計提供參考。

水聲信號; 寬帶復合棒換能器; 雙激勵; 三激勵; 多諧振

0 引言

水聲換能器作為水聲通信的核心部件之一, 一直是水聲領域研究的重點。隨著水聲通信技術的不斷發展, 水聲換能器的性能要求也隨之提高。帶寬作為水聲換能器的一項重要性能指標, 一直是換能器研究人員不斷嘗試研究突破的內容。寬帶換能器在信號傳輸中能保持信號的完整性和準確性, 其較大的帶寬還可以實現多頻通信。因為這些優勢, 寬帶換能器在魚雷制導、聲誘餌投放、超聲醫療和超聲探傷等方面被廣泛應用。

多諧振寬帶換能器研究近年來也取得了很大的成果, 有縱彎耦合、加入柔順層或匹配層、雙激勵、單端激勵等方法[1], 但這些方法設計出的換能器帶寬大部分只達20 kHz左右, 又或者發送電壓響應(transmitting voltage response, TVR)的起伏較大[3-6]。文中將基于此進一步研究多諧振寬帶換能器, 以期得到更寬的帶寬, 針對現階段研究較少的三激勵源多諧振換能器也進行了一些初步研究。

1 多激勵寬帶換能器設計

多諧振寬帶換能器工作的基本原理就是使工作頻段內的多個振動模態相互耦合, 因此, 多諧振寬帶換能器的帶寬相較于傳統復合棒換能器有較大拓寬。圖1為多模振動耦合的實現原理, 圖中,為各諧振頻率。在設計多諧振寬帶換能器時需要注意各諧振頻率的間隔, 避免發送TVR曲線產生較大凹谷, 一般來說兩相鄰諧振峰的間隔不能超過30 kHz。

1.1 雙激勵源寬帶換能器

1.1.1 等效電路分析

首先根據機電等效原理來分析雙激勵源寬帶換能器的諧振頻率, 雙激勵源換能器的等效電路圖如圖2所示。圖中, 各虛線框內的元件分別等效為,,和。

圖2中的電路可以使用四端網絡的并聯來求解, 其中2個四端網絡最終可以等效為1個四端網絡, 該網絡右端與圖2中連接[7-8], 設這個四端網絡的導納參數為, 則總的阻抗表達式為

對于雙激勵源換能器, 可將其等效為2個簡單的復合棒換能器進行分析。將圖2中的、和一個支路去掉即為普通復合棒換能器的等效電路圖, 設

(2)

則其阻抗表達式為

根據導納與阻抗的關系

(4)

可求出換能器的諧振頻率。

文中研究的雙激勵源換能器模型參數為: 陶瓷片材料PZT-4, 半徑8 mm, 前晶堆包含4片陶瓷, 后晶堆包含2片陶瓷; 前蓋板材料為硬鋁, 半徑18 mm; 中間質量塊材料為黃銅, 厚度6 mm; 后蓋板材料為黃銅, 厚度15 mm。

根據上述參數, 使用式(1)得出的諧振頻率分別為25 kHz和43 kHz, 使用式(2)得出的諧振頻率分別為17 kHz和58 kHz。

1.1.2 有限元仿真分析

為了進一步驗證等效電路法所得的結論, 下面使用ANSYS軟件進行有限元仿真分析換能器模型。所使用的有限元方程為

在ANSYS軟件中經過建立換能器的模型, 添加材料參數及賦屬性、分網、施加載荷、求解等步驟求得的導納曲線如圖3所示。從圖中可知, 該換能器的諧振頻率分別為24 kHz和52 kHz。

表1為圖3的諧振頻率和等效電路法結果對比。

表1 等效電路法和有限元法計算的諧振頻率

從表1中可以發現, 由式(1)所得的第1階諧振頻率與有限元法所得結果比較吻合, 式(3)所得的高階諧振頻率則更接近有限元仿真結果。實際上, 因為有彎曲振動的影響, 這樣理想的等效電路法是不夠準確的, 但在換能器初始設計時可以提供一定的參考。

對于圖3中46 kHz附近出現的起伏, 可以用換能器前蓋板的彎曲振動來解釋。圓盤的彎曲振動橫向位移可以表示為

(7)

式(7)的解有無數多個, 分別對應著圓盤振動的各階頻率, 設各階解為, 得到圓盤各階頻率的解

1.1.3 雙激勵換能器質量塊對TVR的影響

使用ANSYS求解TVR時, 需要考慮水對換能器的影響, 一般將水等效為1個水球, 再加載荷, 求解即可[7], 換能器在水中的模型見圖4。

根據發送電壓響應級的計算公式

在ANSYS中提取聲軸線上節點聲壓, 進行相應的運算即可求出換能器的TVR曲線, 其中為節點到聲源等效中心的距離,為施加的電壓。設前蓋板厚度為, 中間質量塊厚度, 后蓋板厚度, 針對不同的質量塊厚度分別使用ANSYS仿真計算其TVR曲線, 結果如圖5所示。

圖5 雙激勵換能器各質量塊厚度對發送電壓響應的影響

Fig. 5 Effects of mass thickness of on transmitting voltage response(TVR)

1.2 三激勵源寬帶換能器

在上節中的雙激勵源換能器已出現了3個諧振峰, 在本節中嘗試設計三激勵源的寬帶換能器, 以提高寬帶換能器的性能。在設計三激勵源寬帶換能器時可以參考雙激勵源寬帶換能器模型, 在這里對上節的模型進行適當變換, 在前晶堆中間插入黃銅質量塊(其厚度為)使其變成一個具備3個激勵源的換能器模型。使用ANSYS計算出不同的質量塊厚度對TVR曲線的影響如圖6所示。

從圖6可以看出, 前晶堆插入的質量塊沒有產生新的諧振點, 但插入的質量塊只對第2階諧振峰產生了較大的影響, 使第2階諧振頻率下降很大, 第2階和第3階諧振峰之間的凹谷也隨著的增加急劇下凹, 這是在設計換能器時需要多加注意的地方。如果需要單獨調節第2諧振峰的話, 在前晶堆中插入質量塊是一種可以考慮的方法。

2 結束語

文中采用多模態耦合的方法進一步拓寬了多諧振寬帶換能器的工作帶寬, 運用等效電路法和ANSYS軟件分析了換能器的諧振頻率, 針對質量塊厚度這一影響TVR曲線的主要因素進行了仿真分析。

仿真結果表明, 對于雙激勵源換能器, 增加質量塊的厚度能有效減小各諧振峰間的間隔, 后蓋板厚度的增加能有效降低換能器各諧振頻率, 各質量塊厚度對后2階諧振頻率都有非常明顯的影響。對于三激勵源換能器, 新插入的質量塊能夠單獨調節第2諧振峰。文中研究可以為多諧振寬帶換能器帶寬和起伏設計提供參考。

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(責任編輯: 楊力軍)

Design on Multi-excitation Broadband Tonpilz Transducer

HU Fu-ji,ZHANG Wen-bo,WANG Ming-zhou

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

Multi-resonant broadband Tonpilz transducer takes the way of coupling multiple vibration modes, so it broadens frequency band. In this paper, for the development of underwater acoustic signal technology, the equivalent circuit method and the finite element analysis method are used to analyze the performance of the double-excitation source multi-resonant transducer for bending vibration of the front cover plate. The results of these two methods are in good agreement. Moreover, the finite element analysis software ANSYS is employed to investigate triple-excitation source multi-resonant transducer. The results show that the frequency band of the double-excitation source multi-resonant transducer is effectively broadened, and the triple-excitation source multi-resonant transducer undergoes small influence of the mass thickness in its working frequency band. This study may provide reference for design of bandwidth and fluctuation of the multi-resonant broadband transducer.

acoustic signal; broadband Tonpilz transducer; double-excitation; triple-excitation; multi-resonant

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.005

TJ630.34; TB565.1

A

1673-1948(2016)06-0422-04

2016-08-12;

2016-10-22.

胡負稷(1990-), 在讀碩士, 主要研究方向為水聲換能器與聲系統技術.