高頻壓電復(fù)合材料球形換能器仿真設(shè)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(tuán)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(fā)展,艦艇及港口面臨的水下威脅日益嚴(yán)峻。為了防御上述小型目標(biāo)的威脅,要求用于港口防御的聲吶浮標(biāo)裝配高頻、寬帶、全向高性能的發(fā)射水聲換能器。美國的ThomaS R Howarth利用壓電復(fù)合材料研制了合成孔徑聲納換能器,其發(fā)射響應(yīng)達(dá)到187 dB[1];KC Benjami用1-3型壓電復(fù)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(nèi)的波束寬度基本恒定。吳培榮等采用1-3 型壓電復(fù)合材料研制了一款寬波束發(fā)射的高頻弧形換能器[2],換能器諧振頻率為440 kHz,最大發(fā)送電壓響應(yīng)可達(dá)162 dB,-5 dB水平開角為107°,-3 dB垂直開角為26°,可應(yīng)用于多波束圖像聲納。李莉等利用多片1-3-2型壓電復(fù)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(shí)現(xiàn)高頻寬波束發(fā)射,但不能實(shí)現(xiàn)空間三維高頻全向發(fā)射聲波[4-8]。

本文仿真設(shè)計的高頻全向球形換能器,其高頻可實(shí)現(xiàn)對小目標(biāo)的精細(xì)探測,提高探測精度和分辨率;寬帶信號經(jīng)相干處理,可使系統(tǒng)獲得更強(qiáng)的增益和更遠(yuǎn)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(fù)合換能器仿真模型的建立

球形壓電復(fù)合換能器性能設(shè)計覆蓋了壓電效應(yīng)、結(jié)構(gòu)振動、流固耦合、流體中的聲傳播等多學(xué)科,理論分析難以實(shí)現(xiàn)性能的精確模擬,包含耦合場、模態(tài)、諧響應(yīng)及聲學(xué)仿真功能的有限元軟件為設(shè)計提供了有力支撐。壓電復(fù)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(shù)化建模、材料選擇、物理場設(shè)置與壓電陶瓷極化方向的定義以及網(wǎng)格劃分等步驟。

根據(jù)設(shè)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(huán)氧樹脂球上。環(huán)氧樹脂球外直徑為?160 mm,球殼的材料厚度為3 mm,在環(huán)氧樹脂外設(shè)置一個半徑為24 mm,即相當(dāng)于3倍換能器半徑大小的水域,并在此球形水域外再設(shè)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(yuǎn)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(shè)置完成后,下一步進(jìn)行網(wǎng)格劃分,之后即可開始計算。由于完美匹配層劃分的網(wǎng)格大小需要小于波長的1/5,完整的球形換能器經(jīng)網(wǎng)格劃分后的計算量過于巨大,一般工作站無法運(yùn)行,所以對模型進(jìn)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(fù)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(jié)果處導(dǎo)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(shè)計要求。

圖3 球形換能器聲壓級云圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)準(zhǔn)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(jié)果處的X-Y平面遠(yuǎn)場聲壓級處提取遠(yuǎn)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(shè)計指標(biāo)要求。

圖4 球形換能器聲指向性圖

發(fā)射電壓響應(yīng)表示在距離換能器1 m處測得的由1 V額定電壓驅(qū)動的換能器靈敏度。計算所得換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)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(nèi)的發(fā)射電壓響應(yīng)大于155 dB,且此范圍內(nèi)電壓變化較平坦,比較適合傳感應(yīng)用,符合換能器的性能指標(biāo)要求。

圖5 球形換能器發(fā)射電壓響應(yīng)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(fā)射電壓響應(yīng)隨著基元尺寸變化的曲線圖。仿真結(jié)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(fā)射電壓響應(yīng)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(fā)射電壓響應(yīng)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(fā)射電壓響應(yīng)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(fā)射電壓響應(yīng)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(fā)射電壓響應(yīng)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(fā)射電壓響應(yīng)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(fā)射性能影響較為明顯,選取PZT-5時,最大發(fā)射電壓級響應(yīng)下降到145.5 dB,其發(fā)射電壓響應(yīng)曲線較為陡峭,發(fā)射電壓響應(yīng)隨頻率變化較大,不適用于發(fā)射換能器應(yīng)用;選取PZT-8材料時,其最大發(fā)射電壓響應(yīng)級為167.8 dB,發(fā)射電壓響應(yīng)曲線較平坦的區(qū)間縮小為185～189 kHz,適合發(fā)射換能器應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文仿真設(shè)計了一種高頻壓電復(fù)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(jié)果可為高頻全向換能器的設(shè)計提供指導(dǎo),后期將進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)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。