低頻彎曲式水聽器研究

許延峰，周天放,2,3，藍宇,2,3

1. 哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱工程大學 海洋信息獲取與安全重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

作為水下聲信號接收設備，聲壓水聽器可以用來捕捉水下聲壓信號的細微變化，產生和聲壓成比例的電壓輸出，將聲能轉化成便于觀察的電信號[1]，是保證被動聲吶系統正常運行的關鍵設備，在水聲研究中是不可缺少的必要設備[2]。但現有低頻、高靈敏度的水聽器，往往具有較大的尺寸[3]。

三疊片圓盤結構的換能器，彎曲振動模態占振動主導地位，具有諧振頻率低、尺寸小、結構簡單等特點[4]。但在三疊片圓盤的應用中，較多的使用在發射換能器上或者矢量水聽器上[5-7]，而在聲壓水聽器上使用較少。低頻彎曲式水聽器缺點是工作頻帶很窄，但是像市售的水聽器，帶寬很寬，靈敏度級卻不算高，如果僅在某特定低頻段有接收聲波的需求，那么三疊片彎曲式結構的水聽器就有靈敏度級高的優勢，有其利用的價值。

本文擬設計一種三疊片彎曲式水聽器，利用三疊片圓盤尺寸小、諧振點低等特點[8]，采用上下2個三疊片圓盤并聯的設計形式，通過尺寸優化，調整基頻諧振點的位置，來實現一種在低頻段具有高靈敏度響應的小尺寸水聽器。

1 三疊片彎曲式水聽器的設計

三疊片彎曲式水聽器，中間部分為金屬環，金屬環上下對稱粘結兩個三疊片圓盤[9]，如圖1所示。三疊片圓盤的壓電陶瓷串聯連接，而上下2個三疊片圓盤通過并聯連接，這種結構可以使水聽器振動對稱，并且易于裝配與制作。

圖1 彎曲圓盤水聽器結構示意

2 水聽器的有限元仿真

COMSOL多物理場仿真有限元軟件，具有聲-壓電相互作用模塊，可以用來分析平面波或球面波聲場中流固耦合等多物理場問題，能夠直接模擬水聽器在水中接收聲波的工作場景，并能提取出水聽器壓電陶瓷表面相應的電壓來計算接收靈敏度，本文使用COMSOL軟件來分析設計彎曲式水聽器。

2.1 水聽器的有限元仿真模型

使用COMSOL多物理場仿真軟件對所設計水聽器進行有限元分析。首先建立水聽器的有限元模型，在建模中忽略壓電陶瓷與金屬的粘結層、金屬間的粘結層、灌封在最外層的聚氨酯橡膠以及焊接的電極線等結構，建立水聽器的三維模型，如圖2所示。壓電陶瓷材料選擇PZT-5，中間金屬圓片材料選擇硬鋁、銅或者鋼，中間金屬環材料選擇銅。

圖2 水聽器建模示意

2.2 水聽器的振動模態研究

使用COMSOL軟件對水聽器進行特征頻率分析[10]，可以直觀地得到水聽器不同階振動模態的特征頻率及振動位移示意圖[11]，示意圖中包含了在各階振動模態下水聽器各個部分相對位移大小，這些分析結果有助于更好地理解水聽器的工作原理。

某尺寸水聽器第一階振動模態的振動示意圖如圖3所示，此振動模態為水聽器接收聲波時的模態[12]。

圖3 水聽器一階振動模態

2.3 水聽器的結構優化設計

使用COMSOL軟件仿真分析水聽器在水中的工作性能，可以直接在水聽器周圍建立半徑為0.05 m的水域，然后在水域內設定一個聲壓大小為1 Pa的平面聲波背景場，來模擬水聽器水中實際工作的情景，建立的水聽器水中模型如圖4所示。

圖4 水聽器水中工作建模模型

在COMSOL分析設置中，研究步驟選頻域，這樣可以分析整個線性系統在受到簡諧激勵時的響應情況，計算出水聽器在不同頻率聲波作用下所激勵出的電壓。然后提取水聽器壓電陶瓷表面的電壓，通過公式計算出水聽器相應接收靈敏度級。

由于水聽器工作在開路狀態，因此水聽器接收靈敏度的峰值在其反諧振頻率[13]，某尺寸水聽器的接收靈敏度級仿真結果如圖5所示。

圖5 仿真計算水聽器接收靈敏度級

由圖5仿真結果可以看出，此結構水聽器在低頻段的接收靈敏度級曲線較平坦，接下來研究水聽器各個部分尺寸變化，對水聽器反諧振頻率和低頻段接收靈敏度級的影響。

以三疊片中PZT和金屬圓片的幾何參數、金屬材料種類為變量[14]，以所設計水聽器在低頻段的聲壓接收靈敏度級的大小和起伏程度為目標，進行水聽器的優化設計，力求使水聽器在低頻段內的聲壓接收靈敏度級盡量高、起伏盡量小。

使用控制變量法仿真分析的變量為：1）三疊片金屬圓片的材料屬性；2）PZT半徑與金屬片半徑比；3）PZT厚度與金屬片厚度比；4）等厚三疊片厚度與半徑比。

2.3.1 PZT種類以及金屬片種類

改變三疊片中間金屬圓片的種類，仿真計算得到水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線，結果如表1和圖6所示。

表1 水中諧振頻率與不同種類金屬片的關系

圖6 水中接收靈敏度級與金屬片種類的關系

由表1可以看到，隨著所選用金屬的楊氏模量逐漸增大，水聽器的反諧振頻率逐漸增大。

由圖6可以看到隨著金屬片楊氏模量逐漸增大，水聽器低頻段的接收靈敏度級逐漸下降。

2.3.2 PZT半徑與金屬片半徑比

保持PZT和中間金屬片厚度不變，取中間金屬片半徑為20 mm，僅改變PZT半徑時，水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線如圖7、8所示。

圖7 水中反諧振頻率與PZT半徑的關系

圖8 水中接收靈敏度級與PZT半徑的關系

從圖7中可以看到隨著PZT半徑的增大，水聽器水中反諧振頻率逐漸變大，當快接近20 mm時，反諧振頻率幾乎不再增大。圖8可以看到隨著PZT半徑變大，水聽器在低頻段的接收靈敏度級逐漸減小，但是減小的程度不大，而起伏更加平坦。

2.3.3 PZT厚度與金屬厚度比

保持PZT和中間金屬片半徑不變，取中間金屬片厚度為1 mm，僅改變PZT厚度，水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線如圖9、10所示。

圖9 水中反諧振頻率與PZT厚度的關系

圖10 水中接收靈敏度級與PZT厚度的關系

從圖9中可以看到隨著PZT厚度的增大，水聽器水中反諧振頻率逐漸變大，當達到與金屬片厚度1 mm相同時，反諧振頻率達到最大，而繼續增大PZT厚度，水聽器反諧振頻率反而減小。

從圖10（a）可以看出，PZT厚度從0.2 mm增加到0.5 mm過程中，水聽器低頻段接收靈敏度級逐漸增大，起伏更加平坦。但PZT厚度為0.4 mm時情況比較特殊，低頻段接收靈敏度級突然減小；從圖10（b）可以看出，當PZT厚度從0.5 mm增加到1.5 mm過程中，水聽器低頻段接收靈敏度級逐漸減小，而起伏幾乎不變。

2.3.4 等厚三疊片厚度與半徑比

當中間層金屬片厚度與PZT厚度相同時，三疊片的等效機電耦合系數最大[15]，接下來分析等厚三疊片的厚度與半徑比對水聽器的水中工作的影響。

保持等厚三疊片金屬片厚度和半徑不變，PZT半徑不變，保持PZT和金屬厚度一致，僅改變PZT（金屬片）厚度時，水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線，如圖11、12所示。

圖11 水中反諧振頻率與PZT厚度的關系

圖12 水中接收靈敏度級與PZT厚度的關系

從圖11中可以看到隨著PZT（金屬片）厚度的增大，水聽器水中的反諧振頻率逐漸變大。圖12中隨著PZT（金屬片）厚度逐漸變大，水聽器在低頻段的接收靈敏度級逐漸下降，起伏逐漸變小。

2.3.5 規律性分析

以上優化過程獲得的響應變化規律，可以總結為：1）隨著中間金屬圓片的楊氏模量逐漸增大，水聽器的反諧振頻率逐漸變大，低頻段接收靈敏度級變小，起伏變小；2）隨著PZT與金屬片半徑比變大，水聽器水中反諧振頻率變大，低頻段接收靈敏度級下降，起伏變小；3）隨著PZT厚度與金屬片厚度比變大，水聽器水中反諧振頻率先升高后下降，比值為1時達到峰值；低頻段接收靈敏度級先升高后下降，比值為0.5左右時達到峰值，低頻段起伏逐漸減小；4）等厚三疊片中，隨著PZT（金屬片）厚度與半徑比變大，水聽器水中反諧振頻率變大，在低頻段的接收靈敏度級變小，起伏變小。

一般情況下，換能器尺寸越大，其諧振頻率越小，而水聽器的基頻諧振頻率隨著PZT半徑或者厚度的增大而變大，這是由于本水聽器利用的是三疊片的彎曲振動模態，此振動模態主要影響因素是三疊片的剛度，當PZT半徑或者厚度增大時，整個三疊片的剛度變大，故三疊片彎曲振動模態的諧振頻率就會變大，使水聽器的諧振頻率變大。

水聽器中間所夾的金屬環的高度與三疊片的直徑相比要小得多，而且不參與三疊片的彎曲振動，故對水聽器的影響很小[16]。

2.4 最終結果

根據上述影響規律，通過結構優化[17]，并考慮到水聽器各個部件實際制作工藝的難易程度，最終確定水聽器各個部件的尺寸參數如表2所示。

表2 水聽器各個部件參數

使用COMSOL軟件仿真計算得到水聽器水中的阻抗曲線，反諧振頻率為5.2 kHz，如圖13所示。

圖13 水聽器水中阻抗曲線仿真結果

使用COMSOL軟件仿真計算得到水聽器在頻段100 Hz～6 kHz內接收靈敏度級，如圖14所示。

圖14 水聽器在100 Hz～6 kHz頻段內接收靈敏度級仿真結果

在低頻頻段100 Hz～2.5 kHz內，水聽器接收靈敏度級約為-178 dB，起伏小于3 dB，如圖15所示。

圖15 水聽器在100 Hz～2.5 kH頻段內接收靈敏度級仿真結果

當聲波波長遠大于換能器的最大線性尺度時，換能器無指向性，在水聽器工作頻帶內，聲波頻率為2.5 kHz時的波長最小為0.6 m，大于水聽器的最大尺寸0.045 m，可以認為水聽器接收聲波時無指向性。

3 水聽器的制作與測試

按照COMSOL優化得到的水聽器最終結構參數，加工結構部件并制作了水聽器樣機，如圖16所示。灌封后，水聽器直徑為45 mm，厚度為12 mm。

圖16 彎曲圓盤水聽器樣機

在消聲水池中進行水聽器性能測試，水池尺寸為 25 m × 16 m × 10 m，采用比較法測量[18-19]，利用標準水聽器（B&K 8105）進行比較測量。采用脈沖信號發射，發射換能器與標準水聽器距離1.5 m（滿足遠場條件），沿水池長度方向布放[20]，吊放深度4 m。最終測得水聽器樣機水中的導納曲線如圖17所示。

圖17 水聽器水中實測阻抗曲線

由圖17可以看到，水聽器樣機反諧振頻率為3.3 kHz。

由于所使用發射換能器所能發射聲波頻率的下限的限制，最低只能發射500 Hz聲波，故測得水中接收靈敏度級曲線最低頻率為500 Hz，如圖18所示。

圖18 水聽器樣機水中接收靈敏度級曲線

由圖18可以看出，在500 Hz～2.5 kHz頻段內，水聽器接收靈敏度級最大為-178 dB，起伏小于4 dB。

水聽器反諧振頻率的實測結果與仿真結果存在差值，主要是由于水聽器樣機表面灌封了一層厚為2 mm的水密聚氨酯橡膠，會增加水聽器等效振動質量，而在COMSOL仿真軟件上較難實現這種粘彈性材料的仿真，結構件裝配精度和粘接工藝也都會對水聽器的性能產生一定的影響，以上兩方面因素導致實測數據與有限元仿真值存在差異。

將500 Hz～2.5 kHz頻段內接收靈敏度級的實測數據與仿真結果對比，如圖19所示，在此頻段內，實測最大接收靈敏度級為-178 dB，起伏小于4 dB，實測數據與仿真值趨勢相同，實測數據起伏比仿真值略大。

圖19 500 Hz～2.5 kHz接收靈敏度級對比

關于水聽器在不同方位接收靈敏度的測試，分別測試了水聽器軸向與徑向的接收靈敏度級，測試結果如圖20所示。接收靈敏度級大致相同，可以認為水聽器在500 Hz～2.5 kHz的工作頻帶內無指向性。

圖20 實測不同方位的接收靈敏度級

4 結論

1)設計并制作了低頻彎曲式水聽器，實測水聽器在頻段500 Hz-2.5 kHz接收靈敏度級為-178 dB，起伏小于4 dB。

2)實現了小尺寸低頻彎曲式水聽器以較高靈敏度接收聲波的特性，對彎曲圓盤結構在水聽器方面的應用具有指導意義。