低頻大寬帶超結構水聲發射換能器研制

雷云中， 王 軻， 吳九匯

(西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室， 西安 710049)

近年來，隨著聲隱身技術的發展，安靜型潛艇的輻射噪聲級(1 kHz處)甚至已經低于海域內的背景噪聲，大大增加了水下探潛的難度[1]。歐美國家開始嘗試利用主動聲吶進行遠程主動探測，因此具有低頻、寬帶、大功率、深水、小尺寸等特性的水聲換能器成為國內外學者研究的焦點。目前，主要利用彎曲振動、液腔共振以及電動式激勵的方法[2-4]在低頻范圍內實現良好的水聲發射。

利用彎曲振動的換能器包括彎曲板換能器[5]，彎曲圓盤換能器[6]，彎張換能器[7]等。雖然此類換能器多種多樣，但是它們都是利用殼體的彎曲振動輻射聲波，并且殼體具有輻射放大效應，因此能夠以較小尺寸實現低頻大功率的聲發射[8-9]。此類換能器具有高品質因數，帶寬窄的特點，因此目前大多數研究集中在拓展帶寬方面。Porzio[10]發明了一種開槽圓柱彎張換能器，通過開槽圓柱引起的低頻彎曲模態和高頻“呼吸”模態之間的耦合，展現出比傳統彎張換能器更寬的帶寬。Si等[11]利用多模態耦合理論，提出了一種長軸加長型寬帶彎張換能器。結果表明，通過延長長軸，可以調諧基頻，二階諧振頻率和膜振動的諧振頻率，從而拓寬換能器的帶寬。但是利用彎曲振動的換能器要想實現1 kHz以下低頻寬帶工作，則往往需要很大的體積與質量。利用液腔振動的換能器，主要包括Helmholtz換能器[12]和諧振腔換能器[13]等。此類換能器雖然能夠實現1 kHz以下水聲發射，但其尺寸和質量很大。

電動式換能器通常利用交流線圈在磁場中的反作用力驅動活塞向水中輻射聲能，是甚低頻段寬帶、大功率換能器的首選類型。美國USRD研制的J9、J11、J13、J15系列標準聲源就屬于動圈式發射換能器[14]。英國G&W公司生產的UW350超低頻聲源和UW600高功率超低頻聲源是低頻大功率動圈發射換能器的典型代表，主要用于聲納靶標系統、校準測試系統等。其中UW350的質量約100 kg，標稱工作頻段20～20 000 Hz，頻帶內平均聲源級165 dB；UW600的質量達到1 070 kg，最低工作頻段可達4～1 000 Hz，最高聲源級可達188 dB。盧葦[15]設計出了兩款工作頻率分別為71～82 Hz和10～200 Hz的水下低頻聲源。71～82 Hz聲源最大直徑為320 mm，總質量為45 kg，試驗測得水下最大聲源級為184 dB；10～200 Hz聲源整體結構直徑216 mm，長度620 mm，總質量為28 kg，試驗測得工作頻帶內聲源級最高為168 dB，最低為145 dB。桑永杰[16]經過優化設計，最終制作出了一款可以在20～500 Hz頻段內實現寬帶發射的電動式換能器樣機，樣機最大外徑為240 mm，總長度665 mm，質量35 kg，工作頻帶內平均聲源級約為162 dB。范進良等[17]研制出可以在5～1 000 Hz進行水聲發射的電動式換能器，長度1 400 mm，總質量為900 kg，其聲源級最大183.5 dB，最小169.5 dB。

綜上常用的低頻換能器，利用彎曲振動和液腔共振實現工作頻率1 kHz以下低頻大寬帶振動時，其體積、質量都非常大。電動式換能器在小尺寸下帶寬較窄，寬帶情況下體積較大。Liu等[18]提出局域共振型聲學超結構的概念，利用單元特征長度為2 cm的結構能產生了400 Hz左右的低頻帶隙，實現了小尺寸控制大波長。本文對聲學超結構應用于水聲發射換能器解決上述問題進行了研究，章節安排如下：在第一章揭示了超結構水聲換能器核心部件——輻射蓋板的局域共振聲輻射機理和多單元協同耦合聲輻射機理。第二章中基于水聲換能器的組成元件：輻射蓋板，驅動元件和外殼，設計出一種新型小尺寸低頻寬帶超結構電動式水聲發射換能器并進行參數優化。在第三章通過試驗測試對換能器的發射電流響應進行驗證，證實換能器在40～1 050 Hz內具有相對比較良好的發射響應，平均發射電流響應約為146 dB。

1 超結構水聲換能器核心部件——輻射蓋板的聲輻射機理

1.1 基于等效零質量的局域共振聲輻射機理

本文提出的超結構輻射蓋板由附加質量單元、肋板和薄圓板三部分組成，如圖1所示。其力學簡化模型及等效單質量模型如圖2所示，其中附加質量單元相當于散射體m2，附加質量單元與薄圓板直接相連的區域為附加質量單元提供剛度k2，薄圓板與肋板部分相當于基體m1，等效質量meff的定義為在相同外部載荷下等效模型中的質量塊能產生與力學簡化模型中m2相同的運動時的質量。

(a) 上部視圖

圖2 超結構輻射蓋板力學簡化模型及等效單質量模型

對于局域共振型聲學超結構來說，其等效質量密度我們可以通過以下計算得到。

由圖2可知，力學簡化模型為兩自由度系統，其運動微分方程為

(1)

設其諧波激勵和穩態響應為

(2)

則由式(1)和式(2)可得

(3)

由等效單質量模型可得

(4)

由于xeff≡x1,則有

(5)

解得

(6)

1.2 基于多單元協同耦合的聲輻射機理

在吸聲領域中，非對稱膜類聲學超結構協同耦合吸聲機理[19]是指在吸聲結構中引入新的質量單元，產生新的模態，通過單元之間的相互耦合在原吸聲峰之間的低谷處產生新的吸聲峰，每個峰值都有一定的帶寬，相鄰峰值之間的帶寬相連使得整個頻段的吸聲曲線變得平緩，帶寬明顯拓寬。

因此，為了使超結構輻射蓋板可以產生多重局域共振以拓展帶寬，在超結構輻射蓋板上再增加三處高度不同的附加質量單元，各附加質量單元位置之間呈90度夾角分布。使之成為四單元協同耦合的超結構輻射蓋板，如圖3所示。本文采用COMSOL Multiphysics軟件對圖3進行有限元仿真分析驗證上述理論。輻射蓋板材質為鋼，楊氏模量E=1.95×1011Pa，泊松比為0.247，密度為7 900 kg/m3，蓋板半徑為100 mm，厚度為2.5 mm，各附加質量單元是對應圓心角為20°的圓環，內外徑之差為15 mm，內徑為80 mm，各附加質量單元的高度分別為8 mm,20 mm,35 mm,60 mm，斜肋的長度為94 mm，寬度為5 mm，最大高度為4 mm。對肋板中心圓形區域施加簡諧力激勵，考慮到力的幅值與聲壓級基本呈線性關系而不影響整個頻段的變化趨勢，因此力的幅值設定為200 N，圓板的邊界條件設定為自由邊界。通過特征頻率分析和頻域分析得到圖4的振型和圖5的距聲中心1 m處的輻射聲壓級。作為對比，對單個附加質量單元超結構(保留高度為60 mm的質量單元)，兩單元協同耦合超結構(保留高度為60 mm和20 mm的質量單元)進行特征頻率分析得到圖6和圖7的振型。對無附加質量單元無肋板結構，無附加質量單元有肋板結構，單個附加質量單元超結構(保留高度為60 mm的質量單元)，兩單元協同耦合超結構(保留高度為60 mm和20 mm的質量單元)，四單元協同耦合超結構五種不同結構進行仿真得到1 m處輻射聲壓級如圖8所示。

圖3 四單元協同耦合超結構輻射蓋板模型

(a) 30 Hz

圖5 四單元協同耦合超結構的1 m處輻射聲壓級

從圖4，圖6和圖7可以看出，超結構輻射蓋板在30 Hz處沿軸向產生較大位移，分析可知，在該頻率處，結構整體發生共振，輻射蓋板具有比較明顯的整體振動位移。結合圖4，圖6和圖7的振型圖我們可以看出，圖4中210 Hz和310 Hz處的振型與其他兩種結構的振型相似，可以認為，雖然附加質量單元數目有所增多，但210～310 Hz頻段內的共振增強仍由較高的附加質量單元決定。而其余各個局域共振增強位置處的振動狀態則變得更加復雜，基本上由多個質量單元共同決定。兩單元協同耦合超結構輻射蓋板與單個質量單元超結構輻射蓋板相比在650 Hz和930 Hz處產生新的局域共振，從而拓展了帶寬，但由于對應頻率相距較大，使得帶寬內聲壓級起伏較大，為了解決這一問題，再引入兩個不同高度的質量單元形成了圖3所示的四單元協同耦合超結構輻射蓋板以獲得更多的局域共振振型。圖4中，在210 Hz、310 Hz、480 Hz、610 Hz、740 Hz、840 Hz和1 010 Hz處發生了局域共振，因此在圖5中這些頻率對應的1 m處輻射聲壓級為極大值，通過不同峰值之間的耦合，結構在40～1 050 Hz頻段內表現出較好的聲輻射性能，聲壓級上下起伏不超過±3 dB。從圖8中可以看出，和無附加質量單元無肋板結構的聲輻射頻帶相比，無附加質量單元有肋板結構±3 dB頻段由40～370 Hz增加到了40～520 Hz，拓寬了約41%，和前兩種無附加質量單元的結構相比，單個附加質量單元超結構輻射蓋板頻帶明顯得到了進一步拓寬，增加了約50 Hz。和前三種結構相比，兩單元協同耦合超結構使換能器的工作頻帶進一步明顯拓寬，±3 dB頻段由最初的40～370 Hz增加到了40～980 Hz，和兩單元結構相比，四單元協同耦合超結構輻射蓋板將±3 dB頻段最終延伸到40～1 050 Hz，±3 d帶寬1 010 Hz。

(a) 30 Hz

(a) 30 Hz

圖8 五種不同結構的1 m處輻射聲壓級

通過上述分析可知，結合局域共振聲輻射理論和多單元協同耦合聲輻射理論設計出的四單元協同耦合超結構輻射蓋板可以實現在1 kHz以下大寬帶水聲發射。

2 超結構述水聲發射換能器的設計與優化

2.1 超結構水聲發射換能器結構設計

基于輻射蓋板的具體結構以及相關材料的選型，考慮到實際安裝參數，建立的超結構水聲發射換能器總裝模型如圖9所示。電動式激勵部分主要由線圈及其骨架、永磁材料和軟磁材料組成。本文采用了一種新型磁路形式，內外雙線圈在各自的磁隙中分別可以產生推動力，輸出的力在線圈骨架上同向疊加，從而在有限空間內可以顯著提高輸出力。考慮到永磁材料中牌號為N38SH的釹鐵硼材料具有優異的磁性能，軟磁材料中牌號為DT4C的電工純鐵具有制作性價比高，矯頑力低，飽和磁感高磁性能穩定又無磁時效對的優點，本文選取DT4C作為軟磁材料，在磁路中與永磁材料N38SH相互配合形成磁回路。其工作原理為：在DT4C和N38SH形成的穩定磁回路中，當向纏繞在骨架上的雙層多匝線圈中通以一定頻率的交變電流時，線圈則會產生同頻率方向交替變化的安培力，在該力的推動下，換能器輻射蓋板產生往復振動，從而推動水介質向外輻射聲能量，以實現低頻寬帶水聲輻射的目的。在基座的尾端帶有直徑10 mm的通氣孔，通過通氣孔可以外接氣泵，從而為換能器結構內部提供壓力保障，所以，換能器也可以在一定深水壓下進行工作。

1. 前殼體； 2. 密封墊圈； 3. 輻射蓋板； 4. 連接件； 5. 緊固螺母； 6. 中間殼體； 7. 線圈骨架； 8. 軟磁環-外； 9. N38SH永磁體； 10.鋁墊塊； 11. 螺旋彈簧； 12. DT4C軟磁體； 13. 線圈； 14. 基座

2.2 超結構水聲發射換能器核心部件—輻射蓋板參數優化

圖10為四單元協同耦合超結構輻射蓋板，輻射蓋板的材質為鋼，楊氏模量為1.95×1011Pa，泊松比為0.247，密度為7 900 kg/m3。圓板半徑為100 mm，厚度為b，各附加質量單元是對應圓心角為20°的圓環，內外徑之差為15 mm，內徑為a1、a2、a3、a4，高度分別為h1、h2、h3、h4，各附加質量單元位置之間呈90°夾角分布。斜肋的長度為94 mm，寬度為5 mm，最大高度為4 mm。接下來將探究圓板厚度，附加質量單元位置和附加質量單元高度對結構輻射性能的影響。通過發送電流響應來反映換能器的輻射特性。發送電流響應的定義為：在換能器聲軸方向上，距其等效聲中心1 m遠處所產生的球面波自由場聲壓與其輸入的電流之比，可表示為

(7)

圖10 輻射蓋板結構及其相關參數

式中，p(1)為距等效聲中心1 m遠處的球面波自由場聲壓；i為所加電流。

其分貝表示為

(8)

式中，Si0為電流響應基準值1 μPa/A。

首先探究了圓板厚度對結構聲輻射性能的影響。圖11繪制了10～1 500 Hz下不同圓板厚度b對應的發射電流響應。分析可知，當圓板厚度b增大時，±3 dB聲輻射帶寬能夠明顯增加。這是由于當輻射面厚度增加時，薄板的剛度增大，因此結構共振頻率向高頻移動引起結構整體的聲輻射帶寬相應增大。在驅動力不變的情況下，整體質量增大使結構的振動加速度的表面振速相應有所減小，從而使結構的發射電流響應幅值隨著輻射面厚度的增大有所降低。

圖11 不同圓板厚度下的發射電流響應

圖12繪制了10～1 500 Hz下不同附加質量單元到結構中心的距離a對應的發射電流響應。分析可知，附加質量單元越靠近輻射面邊緣位置，±3 dB聲輻射帶寬的增幅越大，聲壓級幅值增強也越突出。這是由于隨著薄板邊緣處所附加的質量逐漸增加，無斜肋區域增大，更易在低頻處激發處局域共振振型，從而使各個局域共振之間的寬帶耦合特性也愈明顯，因此結構的±3 dB聲輻射帶寬和發射電流響應都會相應地增大。

圖12 不同位置處的發射電流響應

圖13繪制了10～1 500 Hz下不同附加質量單元高度h對應的發射電流響應，分析可知，當附加質量單元高度增加時，該位置處由于局域共振引起的發射電流響應峰值將向更低頻處移動。這是由于該位置處等效質量增大，而等效剛度幾乎不變，從而使局域共振的發生頻率左移。考慮到不同頻率間隔的局域共振峰之間的耦合結果有所不同，因此為保證輻射聲壓級的低頻特性和±3 dB的寬帶特性，應該選擇合適的附加質量高度。

圖13 不同附加質量單元高度的發射電流響應

3 超結構水聲換能器的制作與試驗驗證

通過上述超結構輻射蓋板參數對聲輻射性能的影響，經過優化改進，并考慮到實際裝配工藝要求，最終確定出四單元耦合超結構輻射蓋板的參數為：材質為鋼，板厚b=2.5 mm，各質量單元高度分別為h1=8 mm、h2=20 mm、h3=35 mm、h4=60 mm，內徑a1=a2=a3=a4=80 mm，斜肋的長度為94 mm，寬度為5 mm，最大高度為4 mm。結合圖9的裝配模型，制作了圖14中的超結構水聲發射換能器。輻射蓋板與70A橡膠制成的密封墊相連進行水密，通電線圈采用線徑1.25 mm的電磁純銅漆包線，銅線外包覆有聚酯亞胺涂層，纏繞于鋁合金線圈骨架上，并將線圈骨架與連接件固定，線圈磁路部分主要由永磁體N38SH和軟磁體DT4C組成。65Mn彈簧鋼制成的螺旋彈簧其剛度為25 N/mm，保證了諧振頻率在30 Hz。尺寸參數取線徑5 mm，中徑27 mm，高度92 mm，殼體尾部留有一個通氣孔，作為加壓測試時外接氣泵來平衡換能器內外的壓力差。最終確定的超結構水聲發射換能器樣機，總長240 mm，安裝最大直徑400 mm，總質量約46 kg。

圖14 超結構水聲發射換能器實物圖

該超結構水聲發射換能器在西北工業大學水聲科學與技術重點實驗室(200 m×8 m×7 m)的消聲水池中進行了測試。測試系統布局示意圖如圖15所示，換能器和水聽器之間設置1 m的距離，以確保遠場條件。采用連續脈沖信號作為激勵源，以減小水池的聲反射。

圖15 測試系統布局示意圖

圖16顯示了試驗和有限元仿真得到的發射電流響應。可以看出，在40～1 050 Hz內，試驗測試結果與理論仿真在共振頻率處有較好的一致性。而發射電流響應的差異可以解釋為超結構輻射蓋板在加工過程中存在誤差。這說明輻射蓋板在低頻位置處發生局域共振，并且在多單元協同耦合下，超結構水聲發射換能器可以在小尺寸下實現40～1 050 Hz內的大功率輻射。

圖16 試驗和有限元仿真結果

4 結 論

(1) 基于聲學超結構中的等效零質量特性，設計出了一種超結構水聲發射換能器的核心部件—輻射蓋板，揭示了局域共振聲輻射機理和多單元協同耦合聲輻射機理。

(2) 借助多物理場耦合仿真分析發現通過等效零質量特性可以實現低頻大功率的水聲發射，通過多單元協同耦合理論可以實現工作頻帶的拓寬。

(3) 基于超結構聲輻射機理，設計了一種超結構水聲發射換能器，通過改變結構尺寸參數，可以很容易在1 kHz以下實現大寬帶的水聲發射。

(4) 通過有限元計算和試驗測試證實此換能器可以在直徑為400 mm，高度為240 mm，總重為46 kg下，平均發射電流響應在40～1 050 Hz內達到146 dB。

本文提出的新型小尺寸低頻大寬帶超結構水聲發射換能器為水聲換能器結構的發展和改進提供了一種有效的新思路，在低頻寬帶水聲換能器領域具有一定的應用前景。