低頻彎曲式水聽器研究

許延峰，周天放,2,3，藍(lán)宇,2,3

1. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

2. 哈爾濱工程大學(xué) 海洋信息獲取與安全重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001

3. 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

作為水下聲信號接收設(shè)備，聲壓水聽器可以用來捕捉水下聲壓信號的細(xì)微變化，產(chǎn)生和聲壓成比例的電壓輸出，將聲能轉(zhuǎn)化成便于觀察的電信號[1]，是保證被動聲吶系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵設(shè)備，在水聲研究中是不可缺少的必要設(shè)備[2]。但現(xiàn)有低頻、高靈敏度的水聽器，往往具有較大的尺寸[3]。

三疊片圓盤結(jié)構(gòu)的換能器，彎曲振動模態(tài)占振動主導(dǎo)地位，具有諧振頻率低、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單等特點[4]。但在三疊片圓盤的應(yīng)用中，較多的使用在發(fā)射換能器上或者矢量水聽器上[5-7]，而在聲壓水聽器上使用較少。低頻彎曲式水聽器缺點是工作頻帶很窄，但是像市售的水聽器，帶寬很寬，靈敏度級卻不算高，如果僅在某特定低頻段有接收聲波的需求，那么三疊片彎曲式結(jié)構(gòu)的水聽器就有靈敏度級高的優(yōu)勢，有其利用的價值。

本文擬設(shè)計一種三疊片彎曲式水聽器，利用三疊片圓盤尺寸小、諧振點低等特點[8]，采用上下2個三疊片圓盤并聯(lián)的設(shè)計形式，通過尺寸優(yōu)化，調(diào)整基頻諧振點的位置，來實現(xiàn)一種在低頻段具有高靈敏度響應(yīng)的小尺寸水聽器。

1 三疊片彎曲式水聽器的設(shè)計

三疊片彎曲式水聽器，中間部分為金屬環(huán)，金屬環(huán)上下對稱粘結(jié)兩個三疊片圓盤[9]，如圖1所示。三疊片圓盤的壓電陶瓷串聯(lián)連接，而上下2個三疊片圓盤通過并聯(lián)連接，這種結(jié)構(gòu)可以使水聽器振動對稱，并且易于裝配與制作。

圖1 彎曲圓盤水聽器結(jié)構(gòu)示意

2 水聽器的有限元仿真

COMSOL多物理場仿真有限元軟件，具有聲-壓電相互作用模塊，可以用來分析平面波或球面波聲場中流固耦合等多物理場問題，能夠直接模擬水聽器在水中接收聲波的工作場景，并能提取出水聽器壓電陶瓷表面相應(yīng)的電壓來計算接收靈敏度，本文使用COMSOL軟件來分析設(shè)計彎曲式水聽器。

2.1 水聽器的有限元仿真模型

使用COMSOL多物理場仿真軟件對所設(shè)計水聽器進(jìn)行有限元分析。首先建立水聽器的有限元模型，在建模中忽略壓電陶瓷與金屬的粘結(jié)層、金屬間的粘結(jié)層、灌封在最外層的聚氨酯橡膠以及焊接的電極線等結(jié)構(gòu)，建立水聽器的三維模型，如圖2所示。壓電陶瓷材料選擇PZT-5，中間金屬圓片材料選擇硬鋁、銅或者鋼，中間金屬環(huán)材料選擇銅。

圖2 水聽器建模示意

2.2 水聽器的振動模態(tài)研究

使用COMSOL軟件對水聽器進(jìn)行特征頻率分析[10]，可以直觀地得到水聽器不同階振動模態(tài)的特征頻率及振動位移示意圖[11]，示意圖中包含了在各階振動模態(tài)下水聽器各個部分相對位移大小，這些分析結(jié)果有助于更好地理解水聽器的工作原理。

某尺寸水聽器第一階振動模態(tài)的振動示意圖如圖3所示，此振動模態(tài)為水聽器接收聲波時的模態(tài)[12]。

圖3 水聽器一階振動模態(tài)

2.3 水聽器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

使用COMSOL軟件仿真分析水聽器在水中的工作性能，可以直接在水聽器周圍建立半徑為0.05 m的水域，然后在水域內(nèi)設(shè)定一個聲壓大小為1 Pa的平面聲波背景場，來模擬水聽器水中實際工作的情景，建立的水聽器水中模型如圖4所示。

圖4 水聽器水中工作建模模型

在COMSOL分析設(shè)置中，研究步驟選頻域，這樣可以分析整個線性系統(tǒng)在受到簡諧激勵時的響應(yīng)情況，計算出水聽器在不同頻率聲波作用下所激勵出的電壓。然后提取水聽器壓電陶瓷表面的電壓，通過公式計算出水聽器相應(yīng)接收靈敏度級。

由于水聽器工作在開路狀態(tài)，因此水聽器接收靈敏度的峰值在其反諧振頻率[13]，某尺寸水聽器的接收靈敏度級仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真計算水聽器接收靈敏度級

由圖5仿真結(jié)果可以看出，此結(jié)構(gòu)水聽器在低頻段的接收靈敏度級曲線較平坦，接下來研究水聽器各個部分尺寸變化，對水聽器反諧振頻率和低頻段接收靈敏度級的影響。

以三疊片中PZT和金屬圓片的幾何參數(shù)、金屬材料種類為變量[14]，以所設(shè)計水聽器在低頻段的聲壓接收靈敏度級的大小和起伏程度為目標(biāo)，進(jìn)行水聽器的優(yōu)化設(shè)計，力求使水聽器在低頻段內(nèi)的聲壓接收靈敏度級盡量高、起伏盡量小。

使用控制變量法仿真分析的變量為：1）三疊片金屬圓片的材料屬性；2）PZT半徑與金屬片半徑比；3）PZT厚度與金屬片厚度比；4）等厚三疊片厚度與半徑比。

2.3.1 PZT種類以及金屬片種類

改變?nèi)B片中間金屬圓片的種類，仿真計算得到水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線，結(jié)果如表1和圖6所示。

表1 水中諧振頻率與不同種類金屬片的關(guān)系

圖6 水中接收靈敏度級與金屬片種類的關(guān)系

由表1可以看到，隨著所選用金屬的楊氏模量逐漸增大，水聽器的反諧振頻率逐漸增大。

由圖6可以看到隨著金屬片楊氏模量逐漸增大，水聽器低頻段的接收靈敏度級逐漸下降。

2.3.2 PZT半徑與金屬片半徑比

保持PZT和中間金屬片厚度不變，取中間金屬片半徑為20 mm，僅改變PZT半徑時，水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線如圖7、8所示。

圖7 水中反諧振頻率與PZT半徑的關(guān)系

圖8 水中接收靈敏度級與PZT半徑的關(guān)系

從圖7中可以看到隨著PZT半徑的增大，水聽器水中反諧振頻率逐漸變大，當(dāng)快接近20 mm時，反諧振頻率幾乎不再增大。圖8可以看到隨著PZT半徑變大，水聽器在低頻段的接收靈敏度級逐漸減小，但是減小的程度不大，而起伏更加平坦。

2.3.3 PZT厚度與金屬厚度比

保持PZT和中間金屬片半徑不變，取中間金屬片厚度為1 mm，僅改變PZT厚度，水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線如圖9、10所示。

圖9 水中反諧振頻率與PZT厚度的關(guān)系

圖10 水中接收靈敏度級與PZT厚度的關(guān)系

從圖9中可以看到隨著PZT厚度的增大，水聽器水中反諧振頻率逐漸變大，當(dāng)達(dá)到與金屬片厚度1 mm相同時，反諧振頻率達(dá)到最大，而繼續(xù)增大PZT厚度，水聽器反諧振頻率反而減小。

從圖10（a）可以看出，PZT厚度從0.2 mm增加到0.5 mm過程中，水聽器低頻段接收靈敏度級逐漸增大，起伏更加平坦。但PZT厚度為0.4 mm時情況比較特殊，低頻段接收靈敏度級突然減??；從圖10（b）可以看出，當(dāng)PZT厚度從0.5 mm增加到1.5 mm過程中，水聽器低頻段接收靈敏度級逐漸減小，而起伏幾乎不變。

2.3.4 等厚三疊片厚度與半徑比

當(dāng)中間層金屬片厚度與PZT厚度相同時，三疊片的等效機(jī)電耦合系數(shù)最大[15]，接下來分析等厚三疊片的厚度與半徑比對水聽器的水中工作的影響。

保持等厚三疊片金屬片厚度和半徑不變，PZT半徑不變，保持PZT和金屬厚度一致，僅改變PZT（金屬片）厚度時，水聽器水中反諧振頻率和接收靈敏度級曲線，如圖11、12所示。

圖11 水中反諧振頻率與PZT厚度的關(guān)系

圖12 水中接收靈敏度級與PZT厚度的關(guān)系

從圖11中可以看到隨著PZT（金屬片）厚度的增大，水聽器水中的反諧振頻率逐漸變大。圖12中隨著PZT（金屬片）厚度逐漸變大，水聽器在低頻段的接收靈敏度級逐漸下降，起伏逐漸變小。

2.3.5 規(guī)律性分析

以上優(yōu)化過程獲得的響應(yīng)變化規(guī)律，可以總結(jié)為：1）隨著中間金屬圓片的楊氏模量逐漸增大，水聽器的反諧振頻率逐漸變大，低頻段接收靈敏度級變小，起伏變??；2）隨著PZT與金屬片半徑比變大，水聽器水中反諧振頻率變大，低頻段接收靈敏度級下降，起伏變??；3）隨著PZT厚度與金屬片厚度比變大，水聽器水中反諧振頻率先升高后下降，比值為1時達(dá)到峰值；低頻段接收靈敏度級先升高后下降，比值為0.5左右時達(dá)到峰值，低頻段起伏逐漸減??；4）等厚三疊片中，隨著PZT（金屬片）厚度與半徑比變大，水聽器水中反諧振頻率變大，在低頻段的接收靈敏度級變小，起伏變小。

一般情況下，換能器尺寸越大，其諧振頻率越小，而水聽器的基頻諧振頻率隨著PZT半徑或者厚度的增大而變大，這是由于本水聽器利用的是三疊片的彎曲振動模態(tài)，此振動模態(tài)主要影響因素是三疊片的剛度，當(dāng)PZT半徑或者厚度增大時，整個三疊片的剛度變大，故三疊片彎曲振動模態(tài)的諧振頻率就會變大，使水聽器的諧振頻率變大。

水聽器中間所夾的金屬環(huán)的高度與三疊片的直徑相比要小得多，而且不參與三疊片的彎曲振動，故對水聽器的影響很小[16]。

2.4 最終結(jié)果

根據(jù)上述影響規(guī)律，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化[17]，并考慮到水聽器各個部件實際制作工藝的難易程度，最終確定水聽器各個部件的尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 水聽器各個部件參數(shù)

使用COMSOL軟件仿真計算得到水聽器水中的阻抗曲線，反諧振頻率為5.2 kHz，如圖13所示。

圖13 水聽器水中阻抗曲線仿真結(jié)果

使用COMSOL軟件仿真計算得到水聽器在頻段100 Hz～6 kHz內(nèi)接收靈敏度級，如圖14所示。

圖14 水聽器在100 Hz～6 kHz頻段內(nèi)接收靈敏度級仿真結(jié)果

在低頻頻段100 Hz～2.5 kHz內(nèi)，水聽器接收靈敏度級約為-178 dB，起伏小于3 dB，如圖15所示。

圖15 水聽器在100 Hz～2.5 kH頻段內(nèi)接收靈敏度級仿真結(jié)果

當(dāng)聲波波長遠(yuǎn)大于換能器的最大線性尺度時，換能器無指向性，在水聽器工作頻帶內(nèi)，聲波頻率為2.5 kHz時的波長最小為0.6 m，大于水聽器的最大尺寸0.045 m，可以認(rèn)為水聽器接收聲波時無指向性。

3 水聽器的制作與測試

按照COMSOL優(yōu)化得到的水聽器最終結(jié)構(gòu)參數(shù)，加工結(jié)構(gòu)部件并制作了水聽器樣機(jī)，如圖16所示。灌封后，水聽器直徑為45 mm，厚度為12 mm。

圖16 彎曲圓盤水聽器樣機(jī)

在消聲水池中進(jìn)行水聽器性能測試，水池尺寸為 25 m × 16 m × 10 m，采用比較法測量[18-19]，利用標(biāo)準(zhǔn)水聽器（B&K 8105）進(jìn)行比較測量。采用脈沖信號發(fā)射，發(fā)射換能器與標(biāo)準(zhǔn)水聽器距離1.5 m（滿足遠(yuǎn)場條件），沿水池長度方向布放[20]，吊放深度4 m。最終測得水聽器樣機(jī)水中的導(dǎo)納曲線如圖17所示。

圖17 水聽器水中實測阻抗曲線

由圖17可以看到，水聽器樣機(jī)反諧振頻率為3.3 kHz。

由于所使用發(fā)射換能器所能發(fā)射聲波頻率的下限的限制，最低只能發(fā)射500 Hz聲波，故測得水中接收靈敏度級曲線最低頻率為500 Hz，如圖18所示。

圖18 水聽器樣機(jī)水中接收靈敏度級曲線

由圖18可以看出，在500 Hz～2.5 kHz頻段內(nèi)，水聽器接收靈敏度級最大為-178 dB，起伏小于4 dB。

水聽器反諧振頻率的實測結(jié)果與仿真結(jié)果存在差值，主要是由于水聽器樣機(jī)表面灌封了一層厚為2 mm的水密聚氨酯橡膠，會增加水聽器等效振動質(zhì)量，而在COMSOL仿真軟件上較難實現(xiàn)這種粘彈性材料的仿真，結(jié)構(gòu)件裝配精度和粘接工藝也都會對水聽器的性能產(chǎn)生一定的影響，以上兩方面因素導(dǎo)致實測數(shù)據(jù)與有限元仿真值存在差異。

將500 Hz～2.5 kHz頻段內(nèi)接收靈敏度級的實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比，如圖19所示，在此頻段內(nèi)，實測最大接收靈敏度級為-178 dB，起伏小于4 dB，實測數(shù)據(jù)與仿真值趨勢相同，實測數(shù)據(jù)起伏比仿真值略大。

圖19 500 Hz～2.5 kHz接收靈敏度級對比

關(guān)于水聽器在不同方位接收靈敏度的測試，分別測試了水聽器軸向與徑向的接收靈敏度級，測試結(jié)果如圖20所示。接收靈敏度級大致相同，可以認(rèn)為水聽器在500 Hz～2.5 kHz的工作頻帶內(nèi)無指向性。

圖20 實測不同方位的接收靈敏度級

4 結(jié)論

1)設(shè)計并制作了低頻彎曲式水聽器，實測水聽器在頻段500 Hz-2.5 kHz接收靈敏度級為-178 dB，起伏小于4 dB。

2)實現(xiàn)了小尺寸低頻彎曲式水聽器以較高靈敏度接收聲波的特性，對彎曲圓盤結(jié)構(gòu)在水聽器方面的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。