拼鑲圓盤換能器參數(shù)仿真研究?

（海軍潛艇學(xué)院 青島 266199）

1 引言

彎曲圓盤換能器是利用上下壓電陶瓷的伸縮來(lái)激勵(lì)中間金屬圓盤的彎曲振動(dòng)來(lái)向水中輻射聲波的［1～3］，是一種新型的低頻、小尺寸、大功率的發(fā)射換能器。彎曲圓盤換能器廣泛應(yīng)用于水聲技術(shù)、超聲技術(shù)、海洋開發(fā)、地質(zhì)勘探等研究方面［4～5］。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型圓盤發(fā)射換能器由于采用空氣腔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致彎曲振動(dòng)機(jī)理有所變化，使得換能器的性能得到提升，文獻(xiàn)［6］提出采用拼鑲壓電陶瓷的方式可以提高換能器的聲學(xué)性能。本文主要利用有限元軟件分析設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究換能器的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)換能器的相關(guān)性能的影響研究。此類型的換能器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，更能成為換能器基陣的基元，通過不同的組合方式能得到不同的頻率和帶寬性能［7～10］。

2 空腔彎曲圓盤換能器

彎曲圓盤換能器主要是兩片的圓片壓電陶瓷中間夾一個(gè)空心金屬圓盤［11～12］，由于換能器結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱型，采用Ansys軟件分析可以建立部分模型取代整體模型，這樣在保證正確性的前提下能大大節(jié)省時(shí)間，作為對(duì)比，彎曲圓盤換能器的結(jié)構(gòu)尺寸取 R1=60mm，R2=5mm，H1=6mm，H2=9mm，H3=4mm，如圖1所示。

圖2為換能器在空氣中的振型分析及發(fā)送響應(yīng)曲線圖，其第一階振動(dòng)模態(tài)頻率為4348Hz，對(duì)應(yīng)于彎曲圓盤的一階彎曲振動(dòng)，是我們所需要的諧振頻率。在水中由于受到水的阻抗作用，其諧振頻率降低為3300Hz，在此處最大發(fā)送響應(yīng)為132.2dB。

圖1 空腔彎曲圓盤換能器示意圖

圖2 換能器一階振型及發(fā)送響應(yīng)曲線

3 拼鑲彎曲圓盤換能器

傳統(tǒng)的彎曲圓盤換能器在可靠性和一些聲學(xué)指標(biāo)上還有待改進(jìn)，把壓電陶瓷圓片換成壓電陶瓷切片組成環(huán)形拼鑲壓電陶瓷，由于對(duì)稱性取結(jié)構(gòu)的1/n如圖3所示，在空心金屬圓盤尺寸以及陶瓷片高度不變的情況下，主要分析陶瓷片的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)換能器相關(guān)性能的影響，具體為拼鑲壓電陶瓷圓環(huán)的內(nèi)徑R4、外徑R5及單個(gè)壓電陶瓷片扇角T對(duì)換能器諧振頻率和發(fā)送電壓響應(yīng)的影響。

圖3 拼鑲彎曲圓盤換能器1/n結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 圓環(huán)外徑的影響

固定圓環(huán)陶瓷片的內(nèi)徑和單個(gè)壓電陶瓷片扇角這兩個(gè)參數(shù)不變，改變圓環(huán)陶瓷片的外徑，其結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著外徑不斷增大到50mm，換能器在空氣中和水中的諧振頻率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，水中的發(fā)送響應(yīng)變化幅度較大；隨著圓環(huán)外徑數(shù)值繼續(xù)增大，空氣中和水中的諧振頻率幾乎不變，而水中的發(fā)送響應(yīng)變化趨勢(shì)趨于平緩。因此為了保證換能器的低頻性和發(fā)送電壓響達(dá)到要求，圓環(huán)陶瓷片的外徑不宜太小，55mm左右為宜。

圖4 圓環(huán)外徑對(duì)諧振頻率及發(fā)送響應(yīng)的影響

3.2 內(nèi)徑的影響

固定圓環(huán)陶瓷片的外徑和單個(gè)壓電陶瓷片扇角這兩個(gè)參數(shù)不變，改變圓環(huán)陶瓷片的外徑，其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，內(nèi)徑從開始增加到15mm時(shí)，空氣中的諧振頻率先是略微減小，隨著內(nèi)徑的繼續(xù)增大，空氣中的諧振頻率則慢慢變大。水中的諧振頻率幾乎是斜率不變的隨內(nèi)徑增大而減小；發(fā)送電壓響應(yīng)也是隨內(nèi)徑增大而減小，但其斜率不斷增大，減小幅度越來(lái)越大，綜合考慮到頻率和發(fā)送響應(yīng)，取內(nèi)徑20mm左右為好。

3.3 陶瓷片扇角的影響

固定圓環(huán)陶瓷片的外徑和內(nèi)徑這兩個(gè)參數(shù)不變，改變單個(gè)壓電陶瓷片扇角，其結(jié)果如圖6所示。從中可以看出，單個(gè)壓電陶瓷片扇角從1.5°增大到6°過程中，空氣中的諧振頻率在4100Hz左右，幾乎保持不變，水中的諧振頻率在3080Hz左右，也是幾乎不變；發(fā)送響應(yīng)隨厚度增加而逐漸減小，厚度每增加一倍，發(fā)送電壓響應(yīng)減小6dB。單個(gè)壓電陶瓷片扇角的變化對(duì)諧振頻率幾乎沒有影響，對(duì)發(fā)送電壓響應(yīng)影響較大，扇角越小發(fā)送響應(yīng)越大，考慮到制作難度扇角不宜太小，取3°左右為宜。

圖5 圓環(huán)內(nèi)徑對(duì)諧振頻率及發(fā)送響應(yīng)的影響

圖6 陶瓷片扇角對(duì)諧振頻率及發(fā)送響應(yīng)的影響

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要探討了拼鑲彎曲圓盤換能器在其金屬件結(jié)構(gòu)不變的情況下，壓電陶瓷圓環(huán)的內(nèi)徑、外徑以及單個(gè)壓電陶瓷片扇角等結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)換能器性能的影響。在參數(shù)尺寸改變不大的情況下對(duì)諧振頻率的影響甚小，卻對(duì)發(fā)送電壓響應(yīng)的影響較大，并且相較于采用壓電陶瓷圓片的換能器，各項(xiàng)性能指標(biāo)均有所提高。由于Ansys有限元軟件仿真的日趨準(zhǔn)確性，可以快速、合理地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以達(dá)到換能器更好的性能指標(biāo)。