高頻壓電復合材料球形換能器仿真設計

侯京川,鮮曉軍,李瑞峰,曾祥明,馮小東,劉振華

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

隨著蛙人載具、UUV等小型水下裝備的發展,艦艇及港口面臨的水下威脅日益嚴峻。為了防御上述小型目標的威脅,要求用于港口防御的聲吶浮標裝配高頻、寬帶、全向高性能的發射水聲換能器。美國的ThomaS R Howarth利用壓電復合材料研制了合成孔徑聲納換能器,其發射響應達到187 dB[1];KC Benjami用1-3型壓電復合材料研制了恒定波束寬度換能器,通過分割電極使其在40～230 kHz頻率范圍內的波束寬度基本恒定。吳培榮等采用1-3 型壓電復合材料研制了一款寬波束發射的高頻弧形換能器[2],換能器諧振頻率為440 kHz,最大發送電壓響應可達162 dB,-5 dB水平開角為107°,-3 dB垂直開角為26°,可應用于多波束圖像聲納。李莉等利用多片1-3-2型壓電復合材料沿圓周排列形成圓周均勻陣列,制作出圓柱型換能器[3],該換能器可在一維或者二維方向上實現高頻寬波束發射,但不能實現空間三維高頻全向發射聲波[4-8]。

本文仿真設計的高頻全向球形換能器,其高頻可實現對小目標的精細探測,提高探測精度和分辨率;寬帶信號經相干處理,可使系統獲得更強的增益和更遠的探測距離;三維全向可減小聲吶的探測死角,增加探測精度及探測范圍。

1 高頻球形壓電復合換能器仿真模型的建立

球形壓電復合換能器性能設計覆蓋了壓電效應、結構振動、流固耦合、流體中的聲傳播等多學科,理論分析難以實現性能的精確模擬,包含耦合場、模態、諧響應及聲學仿真功能的有限元軟件為設計提供了有力支撐。壓電復合材料球形高頻換能器的COMSOL仿真模型的建立,主要分為空間維度選擇、物理場選擇、參數化建模、材料選擇、物理場設置與壓電陶瓷極化方向的定義以及網格劃分等步驟。

根據設計需求,球形換能器的壓電陶瓷基元尺寸為2.2 mm×2.2 mm×7.5 mm,每個壓電陶瓷基元相隔0.5 mm,均勻分布在環氧樹脂球上。環氧樹脂球外直徑為?160 mm,球殼的材料厚度為3 mm,在環氧樹脂外設置一個半徑為24 mm,即相當于3倍換能器半徑大小的水域,并在此球形水域外再設置一個厚度為16 mm的完美匹配層PML作為模擬聲波向無限遠處無反射地輻射。

通過上述步驟建模可得到一個完整的三維球形換能器。圖1為將一半球體隱藏后的1/2模型。模型設置完成后,下一步進行網格劃分,之后即可開始計算。由于完美匹配層劃分的網格大小需要小于波長的1/5,完整的球形換能器經網格劃分后的計算量過于巨大,一般工作站無法運行,所以對模型進行了簡化,簡化成1/8球殼后的球形換能器如圖2所示。

圖1 1/2球形換能器示意圖

圖2 1/8球形換能器示意圖

2 壓電復合材料球形高頻換能器的聲輻射特性分析

利用COMSOL建立仿真模型計算完畢后,在結果處導出球形換能器的聲壓級云圖,如圖3所示。由圖可見,換能器中心截面處的聲傳播時,其波陣面為均勻完整的圓,聲輻射效果良好,符合設計要求。

圖3 球形換能器聲壓級云圖

為了進一步確認準球形換能器的中心截面處聲指向性是否均勻(起伏小于3 dB),在結果處的X-Y平面遠場聲壓級處提取遠場聲聲指向性圖,如圖4所示。由圖可見,球形換能器的聲輻射效果均勻,起伏最大處僅2 dB,滿足設計指標要求。

圖4 球形換能器聲指向性圖

發射電壓響應表示在距離換能器1 m處測得的由1 V額定電壓驅動的換能器靈敏度。計算所得換能器的發射電壓響應曲線如圖5所示。由圖可見,球形換能器在186～194 kHz頻率范圍內的發射電壓響應大于155 dB,且此范圍內電壓變化較平坦,比較適合傳感應用,符合換能器的性能指標要求。

圖5 球形換能器發射電壓響應曲線

3 不同尺寸的PZT-4壓電陶瓷基元仿真分析

圖6-9分別為尺寸4.4 mm×4.4 mm,6.6 mm×6.6 mm的壓電陶瓷基元的聲壓級云圖、聲指向性圖。圖10為最大發射電壓響應隨著基元尺寸變化的曲線圖。仿真結果分析表明,隨著壓電陶瓷基元尺寸的不斷變大,聲壓級云圖顯示球形換能器的聲輻射波面不再是均勻完整的球面,且聲指向性的起伏大于3 dB,發射電壓響應也不斷變大。

圖6 4.4 mm×4.4 mm尺寸下的聲壓級云圖

圖7 4.4 mm×4.4 mm尺寸下的聲指向性圖

圖8 6.6 mm×6.6 mm尺寸下的聲指向性圖

圖9 6.6 mm×6.6 mm尺寸下的聲指向性圖

圖10 發射電壓響應隨基元尺寸變化曲線圖

4 不同壓電材料下的球形換能器性能仿真分析

圖11-13分別為壓電陶瓷基元選用PZT-5時的聲壓級云圖、聲指向性圖和發射電壓響應圖。

圖11 基元材料為PZT-5時的聲壓級云圖

圖12 基元材料為PZT-5時的聲指向性圖

圖13 基元材料為PZT-5時的發射電壓響應圖

圖14-16分別為壓電陶瓷基元選用PZT-8時的聲壓級云圖、聲指向性圖和發射電壓響應圖。

圖14 基元材料為PZT-8時的聲壓級云圖

圖16 基元材料為PZT-8時的發射電壓響應圖

由圖11-16綜合分析可知,基元采用不同型號的壓電陶瓷材料時,對聲壓級云圖和指向性特性影響較小。選取不同型號的陶瓷材料對發射性能影響較為明顯,選取PZT-5時,最大發射電壓級響應下降到145.5 dB,其發射電壓響應曲線較為陡峭,發射電壓響應隨頻率變化較大,不適用于發射換能器應用;選取PZT-8材料時,其最大發射電壓響應級為167.8 dB,發射電壓響應曲線較平坦的區間縮小為185～189 kHz,適合發射換能器應用。

5 結束語

本文仿真設計了一種高頻壓電復合材料球形換能器,計算了換能器的聲輻射特性,分析了不同壓電陶瓷材料、不同基元尺寸對換能器聲輻射特性的影響。該仿真結果可為高頻全向換能器的設計提供指導,后期將進行相關試驗驗證。該型換能器成功研制后將可用于港口防御聲吶、水下成像和水下探測等裝備,具有高頻、寬帶、以及全向輻射聲波等特性。