基于ATILA的寬帶超磁致伸縮縱振換能器設(shè)計(jì)

李寬，藍(lán)宇，李琪

(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001)

目前國(guó)內(nèi)使用較成熟的換能器分析軟件，無(wú)法對(duì)磁致伸縮類(lèi)型的換能器直接進(jìn)行建模分析，例如ANSYS有限元軟件，它不具有解決磁致伸縮機(jī)電耦合問(wèn)題的模塊，而是通過(guò)壓電-壓磁比擬法進(jìn)行類(lèi)比計(jì)算的［1］，并且很多計(jì)算結(jié)果還要進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，過(guò)程相對(duì)繁瑣，容易出錯(cuò).作為國(guó)內(nèi)新引進(jìn)的專(zhuān)業(yè)換能器分析軟件，ATILA對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題的分析優(yōu)勢(shì)明顯，國(guó)外使用此軟件解決各類(lèi)換能器問(wèn)題已有多年經(jīng)驗(yàn)［2］，但在國(guó)內(nèi)還只是剛剛起步.如何利用好ATILA有限元軟件對(duì)換能器進(jìn)行準(zhǔn)確有效的分析，發(fā)揮出其優(yōu)異的性能，是目前需要研究的課題.稀土超磁致伸縮材料TbxDy1-xFe2-y，具有較低的各向異性，并可以獲得較大的磁致伸縮系數(shù)［3］.這種材料的應(yīng)變比壓電陶瓷的大4倍以上，能量密度比壓電陶瓷的大10倍以上，并且楊氏模量較低，因此常被用于設(shè)計(jì)低頻、大功率水聲換能器［4-5］.其中，應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的縱振式換能器.歐美一些國(guó)家設(shè)計(jì)出了不同結(jié)構(gòu)形式的超磁致伸縮縱振換能器［6-7］，近些年，國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了相關(guān)研究［8-9］，結(jié)果均顯示了其在中低頻段具有優(yōu)良的性能.本文利用ATILA有限元軟件建模并計(jì)算了一個(gè)稀土超磁致伸縮材料作為驅(qū)動(dòng)元件的縱振換能器，通過(guò)縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)耦合實(shí)現(xiàn)寬頻帶發(fā)射.換能器磁路部分的設(shè)計(jì)是通過(guò)ANSYS有限元軟件完成的，以確定換能器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式.最后給出了所制作的寬帶超磁致伸縮縱振換能器的測(cè)試結(jié)果.

1 ATILA有限元軟件介紹

ATILA最初是由法國(guó)ISEN公司開(kāi)發(fā)的一套輔助設(shè)計(jì)聲吶傳感器的有限元分析軟件.后經(jīng)不斷的發(fā)展和更新，使之成為解決傳感器、換能器的專(zhuān)業(yè)分析工具.軟件里對(duì)無(wú)載荷的彈性、壓電、電致伸縮和磁致伸縮結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析，得到位移場(chǎng)、波節(jié)面位置、應(yīng)力場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)聲壓、發(fā)送電壓響應(yīng)、指向性以及電阻抗等.目前國(guó)內(nèi)各研究部門(mén)接觸這款軟件的時(shí)間都不是很長(zhǎng)，軟件的各方面性能還在探索之中.

ATILA軟件本身并沒(méi)有方便快捷的操作界面，雖然可以進(jìn)行后處理計(jì)算，但分析功能要受到一定的限制.而GiD軟件常用于計(jì)算機(jī)輔助分析的前后處理，涵蓋信息、幾何特征和網(wǎng)格生成，及各種可視化顯示類(lèi)型，所以在GiD軟件中形成ATILA的接口界面，在 GiD中進(jìn)行前后處理，界面更加友好、方便［10］.

利用GiD和ATILA進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要流程如下圖1所示，前處理中要進(jìn)行幾何建模、賦材料屬性、施加邊界條件、進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及一些計(jì)算條件的設(shè)定，然后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后在后處理中就可以進(jìn)行阻抗、諧振模態(tài)、位移和壓力分析等.

圖1 ATILA軟件設(shè)計(jì)流程Fig.1 The design flowin ATILA soft ware

2 磁路部分設(shè)計(jì)

稀土超磁致伸縮材料需要工作在一定的預(yù)應(yīng)力以及恰當(dāng)?shù)钠么艌?chǎng)下，才能發(fā)揮最佳的性能，所以需要對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì).用ANSYS有限元軟件建立換能器稀土部分磁路，磁路中的磁力線分布如圖2所示.永磁體和稀土棒之間添加了具有高磁導(dǎo)率的電工純鐵片，使稀土棒在靜態(tài)條件下磁感應(yīng)強(qiáng)度更加均勻.對(duì)于單棒結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有閉合磁路，永磁體提供的磁力線將大多無(wú)法返回到稀土棒中，降低工作效率.所以，外部增加純鐵管構(gòu)成閉合磁路，可減少漏磁［11］.從圖中可以看出，稀土棒軸向磁力線分布比較均勻，漏磁現(xiàn)象得到明顯抑制.

圖2 磁路中磁力線分布Fig.2 magnetic force line distribution ofmagnetic circuit

3 換能器有限元模型分析

3.1 模型的建立

對(duì)于單一振動(dòng)模態(tài)的縱振換能器來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)寬帶有一定的難度，但可以通過(guò)多系統(tǒng)或多模態(tài)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中利用換能器縱向振動(dòng)和前蓋板彎曲振動(dòng)相耦合就是一種常見(jiàn)而有效的拓寬頻帶的方法［12］，本文就是利用這種方法對(duì)換能器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的.

圖3 換能器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The configuration figure of the transducer

圖3所示為在ATILA有限元軟件中建立的換能器二維軸對(duì)稱(chēng)模型，各部分結(jié)構(gòu)如圖中所示，前蓋板材料是硬鋁，后蓋板材料是黃銅，預(yù)應(yīng)力螺桿材料是45#鋼.驅(qū)動(dòng)部分由3根內(nèi)徑8 mm、外徑20 mm、長(zhǎng)30 mm的稀土棒串聯(lián)連接而成.軟件中自帶一些常用材料，但是永磁、純鐵等材料需要手動(dòng)輸入材料參數(shù)，并添加到材料庫(kù)中.

3.2 空氣中有限元模型分析

換能器磁路的外部被可導(dǎo)磁的空氣所包圍，其他材料的導(dǎo)磁性能也要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定.此模型要對(duì)激勵(lì)元件指定極化方向，并輸入恰當(dāng)?shù)木€圈參數(shù)，然后就可以進(jìn)行有限元的網(wǎng)格劃分并對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算.

首先對(duì)換能器進(jìn)行空氣中的模態(tài)分析，可得到換能器的固有頻率和振型.圖4為空氣中有限元模型的前兩階振動(dòng)模態(tài)位移矢量圖，縱向振動(dòng)頻率為3.66 kHz，前蓋板彎曲振動(dòng)頻率為8.15 kHz.

圖4 換能器模態(tài)位移矢量圖Fig.4 The figure of displacement vector for mode of the transducer

與其他有限元軟件一樣，ATILA可以進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)的諧波響應(yīng)分析，計(jì)算得到換能器空氣中的阻抗曲線，如圖5所示，縱向振動(dòng)諧振頻率為3.5 kHz，諧振時(shí)電阻值為51.2Ω，前蓋板彎曲振動(dòng)諧振頻率為8 kHz，諧振時(shí)電阻值為12.5Ω.

圖5 換能器空氣中阻抗曲線Fig.5 The impedance curves of the transducer in air

3.3 水中有限元模型分析

水中的模型要在前蓋板的外部構(gòu)建流體部分，并且要在流體的外部施加輻射邊界條件，模擬遠(yuǎn)場(chǎng)吸收邊界.劃分網(wǎng)格后的水中有限元模型如圖6所示，一共有604個(gè)四邊形單元，圖中流體部分的尺寸對(duì)于ATILA軟件來(lái)說(shuō)已形成遠(yuǎn)場(chǎng)條件.

計(jì)算得到的換能器的水中阻抗曲線如圖7所示，縱向振動(dòng)諧振頻率為2.5 kHz，諧振峰處電阻值為8.7Ω，前蓋板彎曲振動(dòng)諧振頻率為 6.7 kHz，諧振峰處電阻值為10.6Ω.

圖8所示為換能器在2.5 kHz時(shí)的聲壓幅度分布.根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓值計(jì)算得到的換能器水中發(fā)送電流響應(yīng)(TCR)曲線如圖9所示，在6.8 kHz時(shí)響應(yīng)值最大為195 dB.圖中同時(shí)給出了在換能器尺寸結(jié)構(gòu)相同的情況下ANSYS有限元軟件的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)對(duì)比可以看出ATILA和ANSYS的計(jì)算結(jié)果吻合度較好，由于2個(gè)軟件對(duì)于磁致伸縮換能器的建模思想和計(jì)算方法有較大區(qū)別，而且涉及很多不同的細(xì)節(jié)問(wèn)題，對(duì)于同一模型計(jì)算出的曲線無(wú)法完全擬合屬于正?，F(xiàn)象.

圖6 換能器水中有限元模型Fig.6 The finite elementmodel of the transducer in water

圖7 換能器水中阻抗曲線Fig.7 The impedance curves of the transducer in water

圖8 換能器水中2.5 kHz時(shí)的聲壓分布Fig.8 The pressure distribution of the transducer at 2.5 kHz in water

圖9 換能器水中發(fā)送電流響應(yīng)曲線Fig.9 The transmitting current response curves of the transducer in water

4 換能器的制作與測(cè)量

4.1 換能器的制作

根據(jù)磁路部分和結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，制作的換能器樣機(jī)如圖10所示，換能器總長(zhǎng)191 mm，最大外徑120 mm，未封裝時(shí)的重量為7.2 kg.

圖10 超磁致伸縮縱振換能器實(shí)物Fig.10 The practical figure of the giantmagnetostrictive longitudinal vibration transducer

4.2 換能器的測(cè)量

換能器的水中性能測(cè)量是在非消聲水池進(jìn)行的，換能器置于水深2 m處，利用WK6500阻抗分析儀對(duì)換能器水中的阻抗進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖11所示.制作的換能器縱振動(dòng)諧振頻率為2.6 kHz，諧振峰處電阻值為30.8Ω，前蓋板彎曲振動(dòng)諧振頻率為6.7 kHz，諧振峰處電阻值為41.3Ω.與圖7中仿真結(jié)果相比較，諧振頻率保持一致，測(cè)量的阻抗值要高于仿真結(jié)果，這是因?yàn)橛邢拊姆抡娼Y(jié)果只能得到換能器的動(dòng)態(tài)阻抗，而實(shí)際換能器還存在靜態(tài)阻抗.

測(cè)量得到的換能器水中發(fā)送電流響應(yīng)曲線如圖12(a)所示，起伏為9 dB，在6.6 kHz時(shí)響應(yīng)值最大為187 dB.與圖中ATILA的仿真結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)諧振頻率和起伏趨勢(shì)對(duì)應(yīng)較好，只是測(cè)量得到的響應(yīng)值比仿真值平均低3～5 dB，這是因?yàn)樵趽Q能器中，渦流效應(yīng)以及空氣隙處的磁漏都會(huì)帶來(lái)一些損耗，降低換能器的發(fā)射效率.圖12(b)為換能器水中聲源級(jí)(SL)測(cè)試曲線，在2～7 kHz頻帶內(nèi)，測(cè)試值均不低于190 dB.

圖11 換能器阻抗測(cè)試曲線Fig.11 Themeasured impedance curves of the transducer

圖12 換能器發(fā)送電流響應(yīng)和聲源級(jí)測(cè)試曲線Fig.12 The measured transmitting current response and source level curves of the transducer

5 結(jié)論

本文嘗試用ATILA有限元軟件建立了一個(gè)縱振式超磁致伸縮換能器模型，在磁路分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了換能器空氣中和水中的模態(tài)和諧響應(yīng)分析.

作為新引進(jìn)的換能器專(zhuān)業(yè)分析軟件，ATILA對(duì)于磁致伸縮換能器的分析在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，還有很多問(wèn)題需要解決.但模型構(gòu)建上的便捷性，材料屬性和邊界條件的直觀性，使其還有進(jìn)一步發(fā)展的空間.

對(duì)于設(shè)計(jì)的縱振式超磁致伸縮換能器:

1)換能器工作頻帶為2～7 kHz，發(fā)送電流響應(yīng)最大值為187 dB，在頻帶范圍內(nèi)，不進(jìn)行阻抗匹配的情況下，聲源級(jí)均不低于190 dB.

2)本文基于ATILA的分析與ANSYS的仿真結(jié)果以及測(cè)量結(jié)果都進(jìn)行了對(duì)比，吻合度較好，證明了其分析過(guò)程的正確性，為今后各種磁致伸縮結(jié)構(gòu)換能器的研究增加了一種簡(jiǎn)單、有效的分析方法.

3)本文設(shè)計(jì)的換能器在小尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)了寬帶、大功率發(fā)射，可以單獨(dú)使用，也可以組成陣列工作.

設(shè)計(jì)的縱振式超磁致伸縮換能器性能上還有提升的潛力，例如增加激勵(lì)材料的體積、進(jìn)行更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)換能器進(jìn)行阻抗匹配等，可以使換能器在更低的頻率實(shí)現(xiàn)更高功率的發(fā)射.

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