耐壓Ⅲ型彎張換能器研究

楊斌穎 王艷 沈明杰

(上海船舶電子設備研究所，上海，201108）

隨著水聲裝備的不斷發(fā)展，對低頻、小尺寸、大功率聲源的需求越來越迫切[1]。Ⅲ型彎張換能器因其功率-重量比方面的出色表現(xiàn)，且外形、尺寸具有良好的適裝性，在低頻發(fā)射領域頗受青睞。然而，耐壓性能差、無法適應深水工作環(huán)境是該換能器面臨的一大難題。目前深水換能器普遍使用的耐壓結構分為：自支撐、液體填充和溢流結構等。國外Purcell等人在專利中報道了一種褶皺外殼的Ⅲ型彎張換能器[2]，將傳統(tǒng)Ⅲ型彎張換能器的輻射面設計成彼此裙聯(lián)的條形皺褶，這樣的設計在工藝制作上較為復雜，但其在保證了彎曲板形變在周向具有良好順性的同時，較好地解決了水密問題，從而能夠將內凹形彎張結構的耐壓性能得到更好地體現(xiàn)。受殼體強度和驅動結構的限制，一般工作深度在300 m內?！膀札?zhí)枴蓖ㄐ畔到y(tǒng)所使用的換能器[3]，采用鈦合金材料制成換能器的外殼，外殼和換能器內部充有硅油，利用硅油的不可壓縮性，隨著外界壓力的升高，內部硅油受壓產生相應的內壓，使內外壓力達到平衡，從而使換能器能夠在高靜壓條件下工作。這種方式的缺點是液腔會帶來聲功率損失，使換能器輻射效率降低。溢流結構換能器將內部腔體與外界水直接連通，從而達到靜壓力平衡。這種方式壓力釋放效果最為明顯，可以不依賴工作深度；缺點是內液腔不僅會帶來聲功率損失，還可能產生聲繞射現(xiàn)象，使得換能器輻射效率進一步下降。

本文采用溢流結構來解決Ⅲ型彎張換能器的耐壓問題，通過在Ⅲ型彎張換能器內液腔填充順性管，增加換能器內液腔的等效順性，降低輻射阻，從而提升換能器的輻射效率。

1 基本理論及仿真分析

1.1 換能器模型

1.1.1 基本結構

Ⅲ型彎張換能器的基本結構如圖1所示，主要包括3部分：殼體、激勵振子以及端蓋。其中殼體呈凹桶型，為了降低殼體環(huán)向剛度，需在殼體圓周方向作開縫處理。換能器工作時，對振子加電激勵，振子沿軸向作伸縮運動，振動位移首先傳遞到上下端蓋，上下端蓋跟隨振子同向振動，端蓋將位移傳遞到殼體，激勵殼體作彎曲運動。由于殼體呈凹桶型，形成類似于弧形杠桿結構，具有位移放大效應。

圖1 Ⅲ型彎張換能器結構示意圖

1.1.2 填充順性管模型

溢流Ⅲ型彎張換能器內液腔包含水和一定數(shù)目的順性管，由于換能器工作頻率較低，聲波波長遠大于換能器和順性管尺寸，可將內液腔流體和順性管看作均勻的等效流體。

假設Ⅲ型彎張換能器內液腔的體積為V0，則有：

式中，Cm表示液腔的等效順性系數(shù)，K表示液腔等效壓縮系數(shù)，1/K表示液腔的體積模量，ZR表示換能器等效輻射阻，ρ、c分別為等效流體的密度和聲速。

根據(jù)式（1），當液腔體積V0不變時，換能器液腔的等效順性Cm增加，則液腔的體積模量 1/K減小，等效流體的密度和聲速減小，所以換能器的等效輻射阻ZR也減小。ZR越小，換能器向內液腔輻射的聲能越少，換能器的效率越高。

當順性管的體積為V1，填充順性管數(shù)目為n時，則有順性管占空比：

液腔的等效壓縮系數(shù)由如下公式計算：

式中，k1為順性管壓縮系數(shù)，k2為水的壓縮系數(shù)。

1.2 順性管理論

順性管最常見的結構形式為扁平圓柱管型，其橫截面如圖2所示。順性管的軸向長度遠大于橫截面的長度L、寬度W、厚度T，設計時只需要采用二維模型來分析其特性。

圖2 順性管橫截面示意圖

定義變量w=W/L、t=2T/W，根據(jù)文獻[4]可計算壓縮系數(shù)K：

最大應力σ表達式：

式中，E和μ為順性管材料的楊氏模量和泊松系數(shù)，q為順性管內外壓強差。根據(jù)式（4）、（5），可以計算出不同材料和尺寸的順性管的壓縮系數(shù)和最大工作深度，如表1所示。

表1 不同尺寸及材料的順性管對應的壓縮系數(shù)及最大工作深度

順性管的幾何參數(shù)的確定需要充分考慮其適裝性，依據(jù)換能器內液腔的尺寸，在工作深度達到需求的前提下，壓縮系數(shù)越大越好。本文設計順性管的工作深度為300 m，選用7075鋁合金材料，最終設計順性管的幾何參數(shù)如表2所示。

表2 順性管最終參數(shù)

1.3 仿真分析

1.3.1 換能器電聲性能分析

通過仿真，得到換能器的發(fā)送電壓響應曲線如圖3所示。直接溢流時，在500～2 500 Hz頻段內只有液腔諧振峰，諧振頻率 800 Hz，發(fā)送電壓響應101.4 dB；填充4根順性管時，換能器的彎曲振動模態(tài)諧振頻率為2 150 Hz，發(fā)送電壓響應為123.8 dB，液腔諧振頻率700 Hz，發(fā)送電壓響應121.2 dB；填充6根順性管時，換能器的彎曲振動模態(tài)諧振頻率為1 950 Hz，發(fā)送電壓響應為126 dB，液腔諧振頻650 Hz，發(fā)送電壓響應120.8 dB。由于換能器殼體沿圓周方向開有均勻分布的8條細縫，換能器內液腔與細縫構成了一個亥姆赫茲共鳴器，因此以上三種情況均在低頻段出現(xiàn)了液腔諧振峰。

可以看到，直接溢流時，換能器的發(fā)送電壓響應非常低；對于Ⅲ型彎張換能器的彎曲振動模態(tài)，填充順性管數(shù)目越多，發(fā)送電壓響應越高。換而言之，換能器內液腔的等效壓縮系數(shù)越大，換能器彎曲振動模態(tài)的效率越高。

圖3 發(fā)送電壓響應曲線

1.3.2 順性管應力分析

利用有限元軟件計算在3 MPa（即水深300 m）靜壓力下順性管的應力和位移，如圖4所示。最大應力出現(xiàn)在順性管側面中間位置，達到369 MPa，小于 7075鋁合金的屈服應力 520 MPa。表明在 3 MPa靜水壓作用下，該順性管不會發(fā)生屈服形變。最大位移出現(xiàn)在順性管上側中間位置，可以看到，上下表面遠沒有接觸。表明在此靜水壓下，該順性管不會發(fā)生功能失效。仿真結果表明，該順性管的工作深度＞300 m。

圖4 3 MPa應力分析

同樣計算在5 MPa（即水深500 m）靜壓力下順性管的應力和位移，如圖5所示。最大應力依然出現(xiàn)在順性管側面中間位置，但其最大應力值達到了1 840 MPa，遠大于7075鋁合金的屈服應力。同時，從其位移分布圖可知，順性管的上下表面已經完全接觸，順性管的功能將失效。

以上結果表明，300 m ＜順性管的工作深度＜500 m，與計算結果基本相符。

圖5 5MPa應力分析

2 換能器的制作及測量

2.1 換能器的制作

根據(jù)以上分析，制作了尺寸為φ120×200 mm的Ⅲ型彎張換能器如圖6所示。殼體材料選用硬鋁，激勵振子選用PZT-4壓電陶瓷。

圖6 溢流Ⅲ型彎張換能器

圖7為按表2給出的尺寸制作的順性管，材料選用 7075鋁合金。裝配時，將順性管通過扎帶捆綁在驅動振子上進行固定。

圖7 順性管和驅動振子

2.2 測試結果

圖8為發(fā)送電壓響應曲線測量結果。直接溢流時，在500～2 500 Hz頻段內只有液腔諧振峰；填充4根順性管時，彎曲振動模態(tài)諧振頻率2 200 Hz，諧振點發(fā)送電壓響應122.6 dB；填充6根順性管時，彎曲振動模態(tài)諧振頻率為2 000 Hz，諧振點發(fā)送電壓響應125.1 dB。在低頻段都出現(xiàn)了液腔諧振峰，諧振頻率分別為800 Hz、780 Hz、780 Hz，發(fā)送電壓響應在 115 dB上下。在換能器的彎曲振動模態(tài)下，測試結果與仿真結果基本吻合；但在低頻段的液腔諧振部分，兩者相差較大。原因可能是填充順性管后，換能器內部結構較為復雜，內液腔并不是一個單純的亥姆赫茲共鳴器；而在仿真計算時，將換能器內液腔流體和順性管看作均勻的等效流體，與實際情況不符，因此造成了測試結果與仿真結果的差異。

圖8 發(fā)送電壓響應曲線

圖9為施加1 300 V電壓時，換能器的聲源級測量結果。直接溢流時，液腔諧振頻率780 Hz，最大聲源級176 dB；填充4根順性管時，彎曲振動模態(tài)諧振頻率2 200 Hz，最大聲源級185 dB；填充6根順性管時，彎曲振動模態(tài)諧振頻率為2 000 Hz，最大聲源級187.4 dB。填充順性管后，在680～3 000 Hz頻段內，聲源級＞175 dB。

圖9 聲源級曲線

2.3 靜水壓測試結果

2.3.1 順性管測試

圖10為3 MPa靜水壓保壓半小時后順性管取出時的情況，可以看到順性管無明顯形變。這表明在3 MPa靜水壓下，順性管不會失效。

圖10 順性管3 MPa靜水壓測試結果

圖11為4 MPa靜水壓保壓半小時后順性管端蓋打開時的情況?？梢钥吹巾樞怨芪窗l(fā)生破裂進水的情況，但出現(xiàn)了嚴重的凹陷。這表明在4 MPa靜水壓下，順性管功能將受損，但不至于失效。

圖11 順性管4 MPa靜水壓測試結果

2.3.2 換能器測試

圖12分別為Ⅲ型彎張換能器填充6根順性管時在靜水壓0 MPa、1 MPa、2 MPa下的電導曲線，可以看到隨著壓力升高，換能器諧振峰都存在，只是諧振頻率略微上升，但諧振點電導基本無變化。這表明在2 MPa靜水壓作用下，換能器性能基本不變。由于溢流填充順性管的Ⅲ型彎張換能器的耐壓能力取決于順性管的耐壓能力，而順性管的耐壓能力超過3 MPa，預計該款換能器的耐壓能力也超過3 MPa。

圖12 換能器靜水壓測試結果

3 結論

本文設計了一種填充順性管的溢流式Ⅲ型彎張換能器。該換能器具有尺寸小、諧振頻率低、工作頻帶寬等優(yōu)點，適于用作低頻寬帶聲源。通過對換能器模型進行理論分析及仿真計算，經過合理的設計，最終實現(xiàn)了換能器耐壓能力的提升。由此可見，通過溢流填充順性管提升Ⅲ型彎張換能器耐壓能力的方法是可行的。本文尚未考慮順性管自身諧振頻率對換能器性能的影響，下一步對此開展研究。