多激勵(lì)寬帶復(fù)合棒換能器設(shè)計(jì)

胡負(fù)稷, 張文波, 王明洲

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多激勵(lì)寬帶復(fù)合棒換能器設(shè)計(jì)

胡負(fù)稷1,2, 張文波1, 王明洲1,2

(1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西西安, 710077; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安, 710077)

多諧振寬帶復(fù)合棒換能器因采取耦合多個(gè)振動模態(tài)的方式, 在拓寬頻帶方面取得了很好的效果而被廣泛使用。為進(jìn)一步適應(yīng)水聲信號技術(shù)的發(fā)展要求, 文中采用等效電路法和有限元分析法對前蓋板彎曲振動的雙激勵(lì)源多諧振換能器性能進(jìn)行了對比分析, 2種方法所得結(jié)論吻合較好。最后采用ANSYS有限元分析軟件對三激勵(lì)源多諧振換能器進(jìn)行了研究。結(jié)果表明, 雙激勵(lì)多諧振換能器的帶寬得到有效拓寬, 三激勵(lì)源多諧振換能器在工作頻帶內(nèi)受質(zhì)量塊厚度的影響較小。文中工作可為多諧振寬帶換能器帶寬和起伏的設(shè)計(jì)提供參考。

水聲信號; 寬帶復(fù)合棒換能器; 雙激勵(lì); 三激勵(lì); 多諧振

0 引言

水聲換能器作為水聲通信的核心部件之一, 一直是水聲領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。隨著水聲通信技術(shù)的不斷發(fā)展, 水聲換能器的性能要求也隨之提高。帶寬作為水聲換能器的一項(xiàng)重要性能指標(biāo), 一直是換能器研究人員不斷嘗試研究突破的內(nèi)容。寬帶換能器在信號傳輸中能保持信號的完整性和準(zhǔn)確性, 其較大的帶寬還可以實(shí)現(xiàn)多頻通信。因?yàn)檫@些優(yōu)勢, 寬帶換能器在魚雷制導(dǎo)、聲誘餌投放、超聲醫(yī)療和超聲探傷等方面被廣泛應(yīng)用。

多諧振寬帶換能器研究近年來也取得了很大的成果, 有縱彎耦合、加入柔順層或匹配層、雙激勵(lì)、單端激勵(lì)等方法[1], 但這些方法設(shè)計(jì)出的換能器帶寬大部分只達(dá)20 kHz左右, 又或者發(fā)送電壓響應(yīng)(transmitting voltage response, TVR)的起伏較大[3-6]。文中將基于此進(jìn)一步研究多諧振寬帶換能器, 以期得到更寬的帶寬, 針對現(xiàn)階段研究較少的三激勵(lì)源多諧振換能器也進(jìn)行了一些初步研究。

1 多激勵(lì)寬帶換能器設(shè)計(jì)

多諧振寬帶換能器工作的基本原理就是使工作頻段內(nèi)的多個(gè)振動模態(tài)相互耦合, 因此, 多諧振寬帶換能器的帶寬相較于傳統(tǒng)復(fù)合棒換能器有較大拓寬。圖1為多模振動耦合的實(shí)現(xiàn)原理, 圖中,為各諧振頻率。在設(shè)計(jì)多諧振寬帶換能器時(shí)需要注意各諧振頻率的間隔, 避免發(fā)送TVR曲線產(chǎn)生較大凹谷, 一般來說兩相鄰諧振峰的間隔不能超過30 kHz。

1.1 雙激勵(lì)源寬帶換能器

1.1.1 等效電路分析

首先根據(jù)機(jī)電等效原理來分析雙激勵(lì)源寬帶換能器的諧振頻率, 雙激勵(lì)源換能器的等效電路圖如圖2所示。圖中, 各虛線框內(nèi)的元件分別等效為,,和。

圖2中的電路可以使用四端網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)來求解, 其中2個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)最終可以等效為1個(gè)四端網(wǎng)絡(luò), 該網(wǎng)絡(luò)右端與圖2中連接[7-8], 設(shè)這個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納參數(shù)為, 則總的阻抗表達(dá)式為

對于雙激勵(lì)源換能器, 可將其等效為2個(gè)簡單的復(fù)合棒換能器進(jìn)行分析。將圖2中的、和一個(gè)支路去掉即為普通復(fù)合棒換能器的等效電路圖, 設(shè)

(2)

則其阻抗表達(dá)式為

根據(jù)導(dǎo)納與阻抗的關(guān)系

(4)

可求出換能器的諧振頻率。

文中研究的雙激勵(lì)源換能器模型參數(shù)為: 陶瓷片材料PZT-4, 半徑8 mm, 前晶堆包含4片陶瓷, 后晶堆包含2片陶瓷; 前蓋板材料為硬鋁, 半徑18 mm; 中間質(zhì)量塊材料為黃銅, 厚度6 mm; 后蓋板材料為黃銅, 厚度15 mm。

根據(jù)上述參數(shù), 使用式(1)得出的諧振頻率分別為25 kHz和43 kHz, 使用式(2)得出的諧振頻率分別為17 kHz和58 kHz。

1.1.2 有限元仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證等效電路法所得的結(jié)論, 下面使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真分析換能器模型。所使用的有限元方程為

在ANSYS軟件中經(jīng)過建立換能器的模型, 添加材料參數(shù)及賦屬性、分網(wǎng)、施加載荷、求解等步驟求得的導(dǎo)納曲線如圖3所示。從圖中可知, 該換能器的諧振頻率分別為24 kHz和52 kHz。

表1為圖3的諧振頻率和等效電路法結(jié)果對比。

表1 等效電路法和有限元法計(jì)算的諧振頻率

從表1中可以發(fā)現(xiàn), 由式(1)所得的第1階諧振頻率與有限元法所得結(jié)果比較吻合, 式(3)所得的高階諧振頻率則更接近有限元仿真結(jié)果。實(shí)際上, 因?yàn)橛袕澢駝拥挠绊? 這樣理想的等效電路法是不夠準(zhǔn)確的, 但在換能器初始設(shè)計(jì)時(shí)可以提供一定的參考。

對于圖3中46 kHz附近出現(xiàn)的起伏, 可以用換能器前蓋板的彎曲振動來解釋。圓盤的彎曲振動橫向位移可以表示為

(7)

式(7)的解有無數(shù)多個(gè), 分別對應(yīng)著圓盤振動的各階頻率, 設(shè)各階解為, 得到圓盤各階頻率的解

1.1.3 雙激勵(lì)換能器質(zhì)量塊對TVR的影響

使用ANSYS求解TVR時(shí), 需要考慮水對換能器的影響, 一般將水等效為1個(gè)水球, 再加載荷, 求解即可[7], 換能器在水中的模型見圖4。

根據(jù)發(fā)送電壓響應(yīng)級的計(jì)算公式

在ANSYS中提取聲軸線上節(jié)點(diǎn)聲壓, 進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算即可求出換能器的TVR曲線, 其中為節(jié)點(diǎn)到聲源等效中心的距離,為施加的電壓。設(shè)前蓋板厚度為, 中間質(zhì)量塊厚度, 后蓋板厚度, 針對不同的質(zhì)量塊厚度分別使用ANSYS仿真計(jì)算其TVR曲線, 結(jié)果如圖5所示。

圖5 雙激勵(lì)換能器各質(zhì)量塊厚度對發(fā)送電壓響應(yīng)的影響

Fig. 5 Effects of mass thickness of on transmitting voltage response(TVR)

1.2 三激勵(lì)源寬帶換能器

在上節(jié)中的雙激勵(lì)源換能器已出現(xiàn)了3個(gè)諧振峰, 在本節(jié)中嘗試設(shè)計(jì)三激勵(lì)源的寬帶換能器, 以提高寬帶換能器的性能。在設(shè)計(jì)三激勵(lì)源寬帶換能器時(shí)可以參考雙激勵(lì)源寬帶換能器模型, 在這里對上節(jié)的模型進(jìn)行適當(dāng)變換, 在前晶堆中間插入黃銅質(zhì)量塊(其厚度為)使其變成一個(gè)具備3個(gè)激勵(lì)源的換能器模型。使用ANSYS計(jì)算出不同的質(zhì)量塊厚度對TVR曲線的影響如圖6所示。

從圖6可以看出, 前晶堆插入的質(zhì)量塊沒有產(chǎn)生新的諧振點(diǎn), 但插入的質(zhì)量塊只對第2階諧振峰產(chǎn)生了較大的影響, 使第2階諧振頻率下降很大, 第2階和第3階諧振峰之間的凹谷也隨著的增加急劇下凹, 這是在設(shè)計(jì)換能器時(shí)需要多加注意的地方。如果需要單獨(dú)調(diào)節(jié)第2諧振峰的話, 在前晶堆中插入質(zhì)量塊是一種可以考慮的方法。

2 結(jié)束語

文中采用多模態(tài)耦合的方法進(jìn)一步拓寬了多諧振寬帶換能器的工作帶寬, 運(yùn)用等效電路法和ANSYS軟件分析了換能器的諧振頻率, 針對質(zhì)量塊厚度這一影響TVR曲線的主要因素進(jìn)行了仿真分析。

仿真結(jié)果表明, 對于雙激勵(lì)源換能器, 增加質(zhì)量塊的厚度能有效減小各諧振峰間的間隔, 后蓋板厚度的增加能有效降低換能器各諧振頻率, 各質(zhì)量塊厚度對后2階諧振頻率都有非常明顯的影響。對于三激勵(lì)源換能器, 新插入的質(zhì)量塊能夠單獨(dú)調(diào)節(jié)第2諧振峰。文中研究可以為多諧振寬帶換能器帶寬和起伏設(shè)計(jì)提供參考。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Design on Multi-excitation Broadband Tonpilz Transducer

HU Fu-ji,ZHANG Wen-bo,WANG Ming-zhou

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710077, China)

Multi-resonant broadband Tonpilz transducer takes the way of coupling multiple vibration modes, so it broadens frequency band. In this paper, for the development of underwater acoustic signal technology, the equivalent circuit method and the finite element analysis method are used to analyze the performance of the double-excitation source multi-resonant transducer for bending vibration of the front cover plate. The results of these two methods are in good agreement. Moreover, the finite element analysis software ANSYS is employed to investigate triple-excitation source multi-resonant transducer. The results show that the frequency band of the double-excitation source multi-resonant transducer is effectively broadened, and the triple-excitation source multi-resonant transducer undergoes small influence of the mass thickness in its working frequency band. This study may provide reference for design of bandwidth and fluctuation of the multi-resonant broadband transducer.

acoustic signal; broadband Tonpilz transducer; double-excitation; triple-excitation; multi-resonant

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.06.005

TJ630.34; TB565.1

A

1673-1948(2016)06-0422-04

2016-08-12;

2016-10-22.

胡負(fù)稷(1990-), 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗晸Q能器與聲系統(tǒng)技術(shù).