兩種低頻換能器結構性能有限元研究?

孫玉臣 王德石 孫顯鵬 朱愛軍

（1.海軍工程大學 武漢 430033）（2.91183部隊 青島 266100）

兩種低頻換能器結構性能有限元研究?

孫玉臣1，2王德石1孫顯鵬2朱愛軍2

（1.海軍工程大學 武漢 430033）（2.91183部隊 青島 266100）

在簡要介紹水聲換能器基本性能參數的基礎上，通過ANSYS有限元仿真，計算出鈸式及凹筒式低頻換能器的結構參數，并進行了性能對比，為相關研究領域提供參考。

低頻換能器；有限元；Cymbal；筒式換能器

1 引言

近年來，隨著世界各國對海洋權益和資源開發的逐漸重視，水下聲納在國防軍工、石油勘探、造船航運等領域的應用越來越廣泛［1］，尤其是低頻聲納，因其作用距離遠［2］，正逐步成為研究的熱門。換能器作為聲納系統的核心部件，其結構設計的進步也逐步加快，特別是鈸式換能器，因其在同樣性能條件下，比傳統換能器體積小、重量輕、成本低、帶寬大［3］，應用領域廣泛［4～6］，得多諸多研究者的關注。本文使用ANSYS軟件，通過對低頻凹筒式換能器與鈸式換能器的結構性能有限元分析，為開發新型小體積低頻聲納換能器提供借鑒。

2 水聲換能器主要性能指標

水聲換能器的主要的指標有：工作頻率、有效機電耦合系數、機械品質因數、電學品質因數、指向特性、導納、發射效率、靈敏度等。其中，靈敏度、等效噪聲壓等性能指標是接收換能器專有的性能指標，等效噪聲壓對1μbar基準聲壓所取的分貝數，稱作接收器的等效噪聲聲壓級［7］。發射電壓響應、發射效率等性能指標是接收換能器專有的性能指標，換能器的發射效率與其類型、材料、結構、工作頻率等因素密切相關［8］。

3 鈸式及凹筒式彎張換能器有限元模型

3.1 鈸式換能器有限元模型

鈸式彎張換能器是一種新型壓電換能器，由兩片鈸式金屬帽和一片極化過的壓電陶瓷片經環氧樹脂粘結而成［9］，有體積小、結構簡單、重量輕的特點，可加工為接收換能器、發射換能器、收發共用換能器。結構如圖1所示。

鈸式發射換能器為軸對稱結構，因此建立右半部分的軸對稱有限元模型。計算中選用黃銅作為金屬平頂錐殼的研究材料［10］。

取流體區域半徑r=0.15m。劃分網格得到一個包含一系列節點和單元的有限元模型如圖3所示。

3.2 凹筒式彎張換能器有限元模型

凹筒式彎張換能器為上下對稱結構，體積小、頻率低、重量輕，外形結構適于組陣，在聲吶低頻領域應用前景廣。海鷹公司蔡志恂等設計出了該型換能器［11］，水中實驗發現，其諧振頻率低于1kHz時，發射電壓響應和聲源級都能保持較高。其結構如圖4所示。

建立凹筒式換能器右半部分的有限元模型，水中有限元模型如圖5所示。

4 凹筒式換能器與鈸式換能器性能對比

4.1 凹筒式換能器結構性能有限元分析

因凹筒式換能器曲率半徑對帶寬等性能參數幾乎沒有影響［12］，故當凹筒式換能器曲率半徑與壓電陶瓷晶堆高度之比為一常數時，選取硬鋁為凹筒式換能器的凹板材料，上下兩端質量塊為鋼塊，壓電陶瓷晶堆選用PZT-4材料。取三種尺寸換能器，其幾何模型分別如圖6（a）、（b）、（c）所示。

這三種凹筒式換能器結構參數如表1所示，仿真值與利用仿真進行的計算值分別如表2、3所示。

表中，fr為換能器諧振頻率，Gmax為電導極大值，Bs為電納極值，f(Bmax)為電納極大值所對應的頻率，f(Bmin)為電納極小值所對應的頻率，TVRmax為發射電壓響應的極大值，Δf為頻帶寬度，Qm為機械品質因數，Qe為電學品質因數，keff為有效機電耦合系數，Req為等效電阻，Ceq為等效電容，Leq為等效電感。

由此可知，壓電陶瓷片厚度一定時，壓電陶瓷晶堆高度越大，發射電壓響應越大，諧振頻率越小。

4.1.1 凹筒式換能器導納特性曲線分析

這三種凹筒式換能器的電導電納曲線、導納模值曲線、導納圓圖分別如圖7～9所示。

表1 凹筒式換能器結構參數

表2 凹筒式換能器各性能參數仿真值

表3 凹筒式換能器各性能參數計算值

壓電陶瓷片厚度一定時，壓電陶瓷晶堆高度越大，導納模值越大；壓電陶瓷晶堆高度為40mm時，畫不出導納圓圖，不能根據公式計算出機械品質因數、帶寬等參數。

4.1.2 凹筒式換能器發射電壓響應曲線分析

由圖10可知，三種凹筒式換能器頻率高于5kHz時，發射電壓響應基本都高于120dB，最大值可達到145dB。發射特性良好，發射電壓響應曲線波動不大。

4.2 鈸式換能器結構性能有限元分析

為對比凹筒式與鈸式換能器的性能，分析三種發射型鈸式換能器的結構性能，其諧振頻率凹筒式換能器相近，結構參數如表4所示，仿真值、計算值如表5～表6所示。

相近諧振頻率條件下，鈸式換能器與凹筒式換能器相比，有以下特點：1）帶寬約900Hz，相對較窄。2）發射電壓響應約120dB，聲波的傳播距離較小。3）有效機電耦合系數約0.14，能量轉換效率較低。4）諧振頻率均為11.15kHz時，凹筒式發射換能器最大外徑為200mm，重量在2kg以上，而鈸式換能器的最大外徑僅為24mm，重量只有3g，體積較小，重量較輕，差別明顯。

4.2.1 鈸式換能器導納特性曲線分析

三種鈸式換能器的電導電納曲線、導納模值曲線、導納圓圖如圖11～13所示。

表4 鈸式換能器結構參數

表5 鈸式換能器各性能參數仿真值

表6 鈸式換能器各性能參數計算值

鈸式換能器諧振頻率為13.30kHz時，畫不出導納圓圖，不能根據公式計算出機械品質因數、帶寬等參數［13］；鈸式換能器與凹筒式換能器相比，電導、電納值小了三個數量級。

4.2.2 鈸式換能器發射電壓響應曲線分析

如圖14所示，與凹筒式換能器相比，鈸式換能器頻率高于5kHz時，發射電壓響應基本處于120dB以下，最大不超過125dB，且發射電壓響應曲線波動相對較大。

5 結語

通過上述對凹筒式與鈸式發射換能器的研究，獲得了兩種換能器的性能參數，結果表明兩種換能器在發射方面各具優勢。凹筒式換能器較鈸式換能器發射電壓響應曲線平坦，聲壓輻射能力更強；同樣參數性能條件下，鈸式換能器的結構更簡單，體積更小，質量更輕，利于組陣。該研究結果為低頻聲納裝置的設計開發提供了一定借鑒。

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Finite Element Research on Structure&Capability of Low-frequency Acoustic Transducers

SUN Yuchen1，2WANG Deshi2SUN Xianpeng2ZHU Aijun2
（1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033）（2.No.91183 Troops of PLA，Qingdao 266100）

On the basis of brief introduction of acoustic transducer performance parameters，by finite element analysis of AN?SYS，the difference of cymbal&barrel-stave transducer in structure and capability is introduced in thiss essay，which can provide reference for related research field.

low-frequency transducer，finite element，Cymbal，barrel-stave transducer

P569

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.031

Class Number P569

2017年5月15日，

2017年6月19日

孫玉臣，男，碩士研究生，工程師，研究方向：水聲換能器技術。王德石，男，博士生導師，教授，研究方向：機械振動、武器系統與運用。孫顯鵬，男，工程師，研究方向：水下武器系統與保障。朱愛軍，男，工程師，研究方向：水下武器系統與保障。