一種矩形輻射面寬波束換能器的設(shè)計(jì)

于祥龍，趙榮榮，唐少波

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一種矩形輻射面寬波束換能器的設(shè)計(jì)

于祥龍1，趙榮榮2，唐少波1

(1. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108；2. 水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108)

設(shè)計(jì)了一種可以寬波束發(fā)射的矩形輻射面換能器。通過設(shè)計(jì)矩形輻射面，適當(dāng)減小矩形輻射面短邊的長度，從而達(dá)到了減小換能器的橫向尺寸，且增大短邊平行截面上的波束寬度的目的，再引入聚氨酯硬質(zhì)泡沫障板技術(shù)改變換能器的輻射聲場，進(jìn)一步改善了換能器的方向性。有限元分析和試制換能器測試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)制作的13 kHz工作頻率矩形輻射面換能器，在12~15 kHz工作頻率范圍內(nèi)，換能器短邊平行截面上的波束寬度達(dá)到105°~135°。

矩形輻射面；寬波束；障板

0 引言

縱振動換能器具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、制造工藝相對簡單、等效機(jī)電耦合系數(shù)高、功率重量比大以及電聲性能良好等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中常被用作換能器基陣的基元。但因?yàn)閭鹘y(tǒng)的縱振動換能器頻帶較窄和波束寬度不足，常不能滿足一些指標(biāo)要求。

為此科研工作者提出了幾種改善此類換能器波束寬度的方法，如改變輻射面結(jié)構(gòu)和引入障板技術(shù)等。在引入障板增大換能器的波束寬度方面，唐少波等人[1]通過對圓形輻射面換能器加柱狀障板的仿真和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了120°以上的波束寬度。

對于相同外形的基陣，矩形輻射面換能器基元較圓形輻射面換能器基元布陣更加緊湊、空化極限更高，可以形成新的布陣方式。圓形輻射面換能器是軸對稱結(jié)構(gòu)，其聲場方向性圖也是軸對稱的，仿真時(shí)只需要建立二維平面模型。而矩形輻射面換能器是非軸對稱結(jié)構(gòu)，其聲場方向性圖是非軸對稱的，且與輻射方向選取的截面有關(guān)，因此分析時(shí)需要建立換能器的立體模型。本文在上述圓形輻射面換能器研究的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)減小矩形輻射面的邊長(波束寬度增大的方向)和利用聲障板來改善矩形輻射面換能器的波束寬度，且對矩形輻射面換能器輻射方向與輻射面短邊平行的截面上的聲場方向性進(jìn)行有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 矩形輻射面寬波束換能器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)換能器的工作頻率為13 kHz，工作頻率范圍11~15 kHz。該頻率常規(guī)基陣換能器基元的波束寬度一般不足90°，本文首先通過設(shè)計(jì)矩形輻射面，增大換能器的波束寬度。

1.1 矩形輻射面縱振換能器

本換能器由前蓋板(鋁)、壓電陶瓷(PZT4)、預(yù)應(yīng)力螺桿(45#鋼)、后質(zhì)量塊(45#鋼)組成[2]。為了增加換能器帶寬，采用縱向振動與前蓋板彎曲振動相耦合的方法。圖1為矩形輻射面換能器空氣中1/4模型，換能器模型中忽略了去耦墊環(huán)、粘結(jié)層、電極片。經(jīng)多次比較，最終確定前蓋板的尺寸為60 mm×30 mm。在壓電陶瓷的正負(fù)電極面施加零電壓約束，得到換能器的振動模態(tài)，如圖2所示。從圖中換能器的空氣中振動模態(tài)位移云圖中可以看出，該換能器有兩個(gè)模態(tài)參與振動，第一階模態(tài)的諧振頻率為12.5 kHz，前蓋板位移部分較為均勻，主要為縱向振動模態(tài)；第二階模態(tài)的諧振頻率為24 kHz，前蓋板不同位置的振幅變化很大，這階模態(tài)主要是由前蓋板的彎曲振動引起的。

為了實(shí)現(xiàn)對換能器水中特性的分析，本文以換能器聲中心為圓心，以滿足遠(yuǎn)場條件的距離為半徑，建立了一個(gè)球形水體來模擬工作水域。水體外圍設(shè)置為可以吸收聲波的吸收邊界，這樣就模擬出了自由場的工作環(huán)境。在換能器與水接觸的界面施加流-固耦合邊界條件，以使換能器的振動能夠傳遞到水體中，并以流體介質(zhì)的剛性邊界代替換能器的水密外殼，模型忽略包覆于前蓋板之上的透聲橡膠。圖3所示為換能器水中1/4模型。

對換能器進(jìn)行水中諧響應(yīng)分析。圖4為換能器的阻抗特性曲線，分析頻段為5~25 kHz，從圖中可以看出，換能器存在兩個(gè)諧振頻率，分別為11 kHz和22.5 kHz，與空氣中相比均下降1.5 kHz。

圖5為換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)曲線。換能器在11~23.5 kHz頻段內(nèi)，響應(yīng)較為平坦?？v向振動與前蓋板的彎曲振動耦合良好，很好地實(shí)現(xiàn)了換能器的寬帶工作。

在水體遠(yuǎn)場區(qū)域中，以換能器聲中心為圓心取一條圓形路徑，分析得到該換能器工作頻段內(nèi)的短邊平行截面上的指向性，如圖6所示?？梢钥闯?，該矩形輻射面換能器在11~15 kHz頻段內(nèi)，-3 dB波束寬度由130°逐漸降至105°。

1.2 寬波束矩形輻射面換能器

為了進(jìn)一步改善矩形輻射面換能器的方向性，本文在換能器設(shè)計(jì)中采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫反聲障板技術(shù)。利用化學(xué)發(fā)泡的方法可以得到硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料。這種材料具備耐壓、特性阻抗低等特點(diǎn)[3]，在泡沫微孔中的空氣體積含量大于50%時(shí)，材料的剪切模量下降，同時(shí)聲波波速也隨之降低，從而在表面產(chǎn)生高反射。對于聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料制成的反聲障板，可將其等效為密度、聲速均勻的柔性層進(jìn)行仿真研究[4]，本文選擇采用該材料障板。

在換能器兩側(cè)加特定厚度、特定寬度、不同長度(通過增減泡沫板可以形成不同的障板輻射面積)的矩形障板，障板上表面與換能器輻射面之間的距離定義為安裝距離，障板的寬邊與前蓋板的長邊在同一平面上。通過對不同障板輻射面積及不同安裝距離兩種情況下的發(fā)送電壓響應(yīng)與方向性進(jìn)行仿真分析，并且與不帶障板的換能器性能進(jìn)行比較，最后確定包括障板結(jié)構(gòu)的矩形輻射面寬波束換能器的設(shè)計(jì)，圖7所示為帶障板換能器的安裝結(jié)構(gòu)圖。

圖8與圖9分別給出的是工作頻帶內(nèi)帶障板換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)及短邊平行截面上的-3 dB波束寬度與不帶障板情況下的對比。

可以看出，11~15 kHz頻段內(nèi)，利用反聲障板基本增大了換能器該頻率范圍內(nèi)的短邊平行截面上的波束寬度，13 kHz的波束寬度為150°，較不加障板的原換能器增大了40°，而對于其它頻率，除11 kHz的波束寬度無增大外，12、14、15 kHz的-3 dB波束寬度增大至142°、148°、132°。與此同時(shí)，障板的使用有效改善了換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)，使換能器在此頻率范圍內(nèi)發(fā)射電壓響應(yīng)起伏減小到3 dB以內(nèi)。

通過對矩形輻射面換能器以及障板與換能器組成的聲系統(tǒng)的仿真分析，發(fā)現(xiàn)對于確定的矩形輻射面，適當(dāng)減小輻射面短邊的尺寸確實(shí)可以增大換能器短邊平行截面上的波束寬度，而障板邊界結(jié)構(gòu)的使用能夠進(jìn)一步改善矩形輻射面換能器的方向性，通過調(diào)節(jié)障板的輻射面積與安裝距離，可以同時(shí)兼顧工作頻段內(nèi)換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)與波束寬度，實(shí)現(xiàn)寬波束發(fā)射。

2 實(shí)測與分析

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，實(shí)際制作了矩形輻射面換能器，并對換能器的水中性能進(jìn)行了測試。圖10所示為換能器在水中的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，響應(yīng)曲線的基本趨勢與仿真結(jié)果比較吻合，實(shí)現(xiàn)了11~15 kHz的寬帶工作，但第一諧振頻率的響應(yīng)值減小，第二諧振頻率的頻率值降低。分析原因?yàn)榻r(shí)忽略了包覆于前蓋板之上的聚氨酯透聲橡膠，而透聲橡膠的阻尼效應(yīng)對換能器的兩階振動模態(tài)造成了影響。圖11給出的是單換能器在自由場中短邊平行截面上的歸一化極坐標(biāo)指向性圖(標(biāo)度由外到內(nèi)依次為1、0.9、0.8、…、0)，11、12、13、14、15 kHz的波束寬度分別為124.5°、97°、100°、109.7°、112.4°。

據(jù)圖7所示，反聲障板采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫制作，通過增減換能器兩邊泡沫板的數(shù)量達(dá)到調(diào)節(jié)障板輻射面積的目的，障板上下移動可以調(diào)節(jié)安裝距離。結(jié)合有限元仿真結(jié)果，經(jīng)多次測量后確定了障板的安裝情況。

(a) 11 kHz指向性??????(b) 12 kHz指向性

(c) 13 kHz指向性?????? (d) 14 kHz指向性

圖12所示為帶障板換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)與不帶障板換能器的比較?？梢钥闯銎溱厔菖c有限元仿真結(jié)果基本相同，且實(shí)現(xiàn)了11~15 kHz頻段內(nèi)響應(yīng)起伏在3 dB以內(nèi)。

圖13所示為帶障板換能器在11~15 kHz工作頻率范圍內(nèi)短邊平行截面上的歸一化極坐標(biāo)指向性圖(標(biāo)度由外到內(nèi)依次為1、0.9、0.8、…、0)。13 kHz的波束寬度為124.2°，比原換能器進(jìn)一步增大了24°，而對于其它頻率，除11 kHz的波束寬度略有減小外，12、14、15 kHz的波束寬度都有明顯增大，增大至105.3°、134.9°、122.5°。在工作頻段內(nèi)的波束寬度增大幅度較仿真結(jié)果略有減小，分析原因?yàn)閾Q能器的制作工藝達(dá)不到仿真時(shí)的理想情況。

(a) 11 kHz指向性?????? (b) 12 kHz指向性

(c) 13 kHz指向性?????? (d) 14 kHz指向性

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)際制作了一種寬波束矩形輻射面換能器。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過縱向振動與前蓋板彎曲振動耦合的方式能夠有效實(shí)現(xiàn)換能器的寬帶工作性能；對確定的輻射面，適當(dāng)減小矩形輻射面的短邊尺寸和利用聚氨酯硬質(zhì)泡沫聲障板技術(shù)能夠增大特定頻率范圍內(nèi)短邊平行截面上的的波束寬度。

設(shè)計(jì)的13 kHz工作頻率換能器，在滿足11~15 kHz頻率帶寬的發(fā)送電壓響應(yīng)起伏3 dB以內(nèi)的同時(shí)，短邊平行截面上的波束寬度得到有效增大，在12~15 kHz頻段內(nèi)換能器的波束寬度達(dá)到105°~ 135°。

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Design of a wide-beam rectangular radiating area transducer

Yü Xiang-long1, ZHAO Rong-rong2, TANG Shao-bo1

(1. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai201108, China;2. Science and technology on Underwater acoustic Antagonizing Laboratory,Shanghai201108, China)

In this paper, a wide-beam rectangular radiating area transducer is designed. The rectangular radiating area is designed to reduce the transverse size of transducer and to widen the beam in the cross section parallel to the short edge by decreasing the length of the short edge. Then the polyurethane foam baffle plate technique is introduced to change the sound field and further improve the directivity of the transducer. On the basis of the analysis with ANSYS, an experiment sample is manufactured. From the experimental results, the working frequency of this transducer is 13 kHz and the beam width in the cross section parallel to the short edge can reach 105°~135° in the frequency band of 12~15kHz.

rectangular radiating area; wide-beam; baffle plate

TB556

A

1000-3630(2016)-01-0082-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.018

2015-01-13;

2015-03-20

于祥龍(1989－), 男, 山東濰坊人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗晸Q能器與基陣。

于祥龍, E-mail: xianglong891125@163.com