3種輻射頭水聲寬帶換能器設計及布陣技術應用

田豐華, 劉亞盈, 何文峰

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3種輻射頭水聲寬帶換能器設計及布陣技術應用

田豐華, 劉亞盈, 何文峰

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075)

為了充分利用聲納的布陣空間, 增加輻射面積, 從而提高聲納基陣的整體性能, 采用了有限元分析方法, 借助ANSYS軟件設計了圓形、方形和六邊形輻射頭水聲寬帶換能器。在輻射面積、壓電元件和長度等要素相同的條件下, 仿真計算了3種不同形狀的輻射頭對水聲寬帶換能器諧振頻率、發送電壓響應、自由場電壓接收靈敏度和收發頻帶寬度等性能的影響, 并對結構進行了優化; 研制了3種不同形狀輻射頭換能器并進行了水池試驗, 測試結果與計算結果具有較好的一致性。最后, 在聲納開窗尺寸相同的情況下, 對3種換能器的布陣效果進行了研究。

水聲寬帶換能器; 電聲性能; 有限元方法

0 引言

聲納基陣的設計主要解決2類問題[1]: 一是對目標進行定位、定向和測速; 二是提高空間處理增益, 改善接收機輸入端的信噪比。眾所周知,解決上述問題, 簡單有效的方法之一就是增加聲納基陣的陣元個數, 提高輻射面積。而在魚雷開窗尺寸限定的情況下, 增加陣元個數和提高輻射面積是研究的瓶頸。本文針對這一問題, 研制了圓形、方形及六邊形輻射頭水聲寬帶換能器, 根據不同的開窗尺寸, 選擇合適的輻射面形狀, 為后續聲納基陣研制提供參考。

1 設計原理及波束分析

目前水聲換能器的設計主要借助有限元理論、邊界元理論和機電耦合理論作為理論指導[2-3], 本節從工程應用的角度, 簡要介紹水聲換能器的設計理論和與聲納技術指標相對應的電聲性能。

1.1 水聲換能器的設計原理

有限元法(finite element method, FEM)屬于力學分析中的數值法, 它能解決換能器設計中的許多實際問題, 不需要對任何結構形狀的換能器做簡化假設。有限元方法所依據的能量變分原理的數學表達式為

其中,表示拉格朗日函數, 且

=-(-)+(-) (2)

其中:表示系統的動能;表示彈性應變能;表示外界機械力所做的功;為電場中的電能;為外界電場力所做的功。

具有線性行為的壓電材料, 滿足-型壓電方程

=CS-(3)

=T+(4)

如果選擇3D單元, 則上式為6×1階應力矩陣;為3×1階電位移矢量;為6×1階應變矢量;為3×1電場矢量;為電場恒定時壓電材料各向異性的6×6彈性矩陣;為6×3壓電系數矩陣;為恒應變下的3×3階介電系數矩陣;上角標T表示轉置矩陣

(-2)=(5)

T+CV=(6)

式(5)表征機械載荷力與機電耦合力作用下的動力學方程。式中：為總剛度陣;為總質量陣;為系統位移向量;為機電耦合向量;為電極面上的電勢。式(6)則表征外電場與機電耦合作用下的電路狀態方程,為電極面上的自由電荷電量。

考慮界面處能量損耗的聲波離散方程

結構動態有限元方程

其中,為載荷力向量。

考慮損耗的聲波離散方程和結構動態有限元方程, 得到完整的流體-結構耦合問題的有限元法離散方程

邊界元法是將區域上的控制方程轉化為沿區域邊界的積分方程, 只需定義邊界上的單元再結合邊界條件求解, 邊界元理論是建立在有限元理論基礎上。一般情況下, 完整的聲學裝置先用有限元理論設計水聲換能器, 然后應用邊界元理論設計基陣。機電耦合理論主要用于推導水聲換能器的性能指標, 以簡化模型。

1.2 水聲換能器的波束分析

水聲換能器的電聲性能主要包括諧振頻率、反諧振頻率、導納及有效機電耦合系數發送電壓響應以及自由場電壓接收靈敏度等, 這里僅推導了工程應用中波束修正的設計計算公式。

波束計算修正

2 3種輻射頭水聲換能器有限元計算

為了提高聲納基陣的整體性能, 結合工程實際設計了3種輻射頭的水聲換能器[4-5], 除了輻射頭的形狀各不相同外, 其他條件均相同。應用有限元計算, 分析了每一種換能器的電聲性能。本文重點從空氣介質和水域介質兩方面對3種不同形狀輻射頭水聲換能器進行深入分析, 對其在聲納系統應用中所關心的整體性能指標進行了研究。

2.1 空氣介質中3種輻射頭換能器性能

主要分析了3種水聲換能器的導納變化規律, 結果如圖1所示，其作用在于控制輻射頭水聲換能器的諧振頻率以及阻抗特性, 為水域介質中的換能器頻段分析提供參考。

2.2 水域介質中換能器的性能

建立了3D流體模型, 在15 ~25 kHz頻帶內, 理論計算了3種輻射頭水聲換能器的發送電壓響應, 給出了發送電壓響應-頻率曲線, 如圖2所示。利用機電耦合、彈性力學等理論, 計算了3種輻射頭水聲換能器的自由場電壓接收靈敏度, 其結果如圖3所示。

圖1 空氣介質中3種輻射頭換能器導納-頻率曲線

圖2 3種輻射頭水聲換能器發送電壓響應-頻率曲線

圖3 3種輻射頭水聲換能器自由場電壓接收靈敏度-頻率曲線

Fig. 3 Receiving sensitivity-frequency curves of free fie- ld voltage of transducers with three different shape of radiator

計算了3種輻射頭水聲換能器在=19 kHz時的指向性, 由于3種輻射頭水聲換能器的計算結果比較類似, 這里僅給出了六邊形輻射頭水聲換能器的指向性曲線, 如圖4所示。從水域介質中3種輻射頭水聲換能器的仿真結果可以看出前蓋板形狀的變化對該換能器電聲性能的影響。在其他尺寸限定的情況下, 通過調節換能器前蓋板的形狀仍可使水聲換能器的性能有很大提高。

圖4 六邊形輻射頭換能器在f=19 kHz時的指向性圖

同時通過調整預應力螺桿的尺寸在一定程度上也可以改善水聲換能器的性能。在聲納基陣中, 通過該方法可以改善整個基陣的性能。

3 試驗驗證

本文通過理論計算和仿真設計了3種不同輻射頭水聲寬帶換能器, 即圓形、方形和六邊形輻射頭換能器, 其測試結果如下。

3.1 空氣介質中3種輻射頭換能器性能測試

用4194A阻抗分析儀在空氣介質中對3種換能器進行了性能測試, 其結果如表1所示。

表1 3種輻射頭換能器在空氣介質中的性能

在正常大氣壓下, 3種輻射頭換能器均可以耐 2 700 V/min的直流高壓，通過的電流峰峰值1.1 A。

3.2 水域介質中3種輻射頭換能器性能測試

3.2.1 電導及阻抗測試

分析了3種不同形狀輻射頭水聲寬帶換能器在水域介質中的電導及阻抗分布, 其結果如圖5和圖6所示。其作用在于控制3種輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率以及阻抗特性, 為換能器工作頻段選擇及匹配提供參考。

圖5 水域介質中3種輻射頭水聲寬帶換能器電導-頻率曲線

圖6 水域介質中3種輻射頭水聲寬帶換能器阻抗-頻率曲線

從圖5和圖6可以看出, 3種輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率分別為17.5 kHz, 18 kHz, 18.5 kHz。方形輻射頭水聲寬帶換能器的阻抗較大, 圓形輻射頭和六邊形輻射頭水聲寬帶換能器的阻抗相當。

3.2.2 發射性能測試

使用水聲自動化測量系統測量原理樣陣的發射性能。對3種輻射頭水聲寬帶換能器進行了發射性能測試, 其結果如圖7所示。

圖7 3種輻射頭水聲寬帶換能器發送電壓響應-頻率曲線

從圖7可以看出, 在其他條件基本相同的情況下, 3種不同形狀輻射頭水聲寬帶換能器的發送電壓響應相差很小, 其變化規律基本相同。

3.2.3 發射指向性測試

圖8 六邊形輻射頭水聲寬帶換能器在極坐標系下的接收指向性圖

圖9 圓形輻射頭水聲寬帶換能器在極坐標系下的接收指向性圖

3.2.4 接收性能測試

使用水聲自動化測量系統測量原理樣陣的接收性能。水聲自動化測量系統接發射換能器, 發射單頻脈沖信號, 濾波放大器接收原理樣陣中每個陣元輸出的信號。其接收靈敏度測試結果見圖11。

由圖11看出, 3種輻射頭水聲寬帶換能器的自由場電壓接收靈敏度差異較小, 圓形輻射頭水聲寬帶換能器的接收靈敏度較高, 方形輻射頭水聲寬帶換能器接收靈敏度的-3 dB帶寬較寬, 六邊形輻射頭水聲寬帶換能器的接收性能居兩者之間。

圖10 方形輻射頭水聲寬帶換能器在極坐標系下的接收指向性圖

圖11 3種輻射頭水聲寬帶換能器自由場電壓接收靈敏度-頻率曲線

4 布陣分析

本文結合特定聲納基陣的開窗尺寸, 在特定的頻段, 對3種換能器進行了布陣研究。從陣元個數方面分析, 該聲納基陣所能容納的六邊形輻射面的陣元個數是方形的1.25倍, 是圓形輻射面陣元個數的1.1倍; 從整個基陣的輻射面積方面分析, 六邊形輻射面的基陣輻射面積是方形輻射面基陣輻射面積的1.1倍, 是圓形輻射面基陣輻射面積的1.2倍; 從整個基陣的陣列方面分析, 六邊形輻射面的基陣比圓形輻射面的基陣增加了1列, 比方形輻射面的基陣增加了2列。

從以上分析可以看出, 本文所研究的聲納基陣中, 在滿足技術要求的條件下, 六邊形輻射頭的陣元對整個基陣的性能從陣元個數、輻射面積及波束方面貢獻較大, 針對該聲納基陣而言, 優先選用六邊形輻射頭的水聲寬帶換能器。

5 結束語

本文從理論設計、仿真計算和試驗驗證3個層面對3種不同形狀輻射頭水聲換能器進行了研究; 從基陣輻射面積、陣元個數和陣列方面對3種輻射頭水聲寬帶換能器的布陣方面進行了分析[6]。總結了前蓋板的形狀及預應力螺桿的變化對水聲換能器性能的影響。

通過試驗可知, 圓形輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率最低,-3 dB束寬最窄; 方形輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率最高,-3 dB束寬最寬, 阻抗最大; 六邊形輻射頭水聲寬帶換能器的諧振頻率和束寬位于其中; 三者的發射、接收及功率容限等性能差異較小, 這與理論及仿真計算結果得到的結論比較一致。其中, 3種輻射頭水聲寬帶換能器的阻抗及相角與理論設計值差別較大。其布陣分析, 對聲納基陣的發展具有重要的指導意義, 為后續基陣的研制提供參考。

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Design on Underwater Broadband Acoustic Transducer with Three Different Shape of Radiator and Its Application to Sonar Array Arrangement Technology

TIAN Feng-hua, LIU Ya-ying, HE Wen-feng

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

Underwater broadband acoustic transducers with round, square and hexagonal radiators are designed by using finite element method and software ANSYS to make full use of sonar array space, increase radiant area and hence improve overall characteristics of a sonar array. Under the conditions of same radiant area, piezoelectric elements, and length of transducers, etc., the influences of the radiators in the above three shapes on the resonance frequency, transmitting voltage response, receiving sensitivity of free field voltage, and receiving/transmitting frequency bandwidth of underwater broadband acoustic transducers are simulated, and the transducer structure is optimized. The transducers with the three shapes of radiators are fabricated and tested in a tank, respectively. The test results agree well with the calculations. In addition, the effectiveness of three arrangements of acoustic transducers is evaluated for same sonar window dimension.

underwater broadband acoustic transducer; electroacoustical characteristics; finite element method(FEM)

TJ630.34; TB565.1

A

1673-1948(2012)05-0348-05

2011-12-07;

2012-03-27.

田豐華(1981-), 男, 工程師, 研究方向為魚雷聲學裝置.

(責任編輯:楊力軍)