一種通孔球形換能器

李杰 趙榮榮 于祥龍 歐陽荀

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

球形壓電陶瓷換能器作為全指向性換能器，它在空間上具有均勻輻射聲場，是水聲領(lǐng)域應(yīng)用較廣的換能器類型之一。它的結(jié)構(gòu)簡單，便于制作，性能穩(wěn)定。在水聲換能器設(shè)計中，當(dāng)需要換能器實現(xiàn)水平無指向性時，通常采用圓管換能器和球形換能器。相較于圓管換能器，球形換能器更加接近于一個點聲源，且球形換能器的全向特點與頻率無關(guān)，在拖曳線陣等水聲設(shè)備中使用可以獲得較寬的工作頻率范圍。但是球面輻射的外形特點使其實際應(yīng)用中難以安裝和布放[1-2]。

目前常見的球形壓電陶瓷換能器主要由壓電陶瓷球殼、金屬管、電極引線、密封隔振材料等組成。在現(xiàn)有的技術(shù)中，通常采取單向開孔的辦法，在球殼的一端開孔，焊接引線。將換能器開孔的一端灌封，做水密處理。而電線和其他結(jié)構(gòu)件只能從外部經(jīng)過，使得球殼尺寸的設(shè)計受到很大的限制[3]。

為了充分利用球形換能器的全向特性，使得更大直徑的球形換能器能夠簡易地進行安裝，本文中將球形換能器設(shè)計為通孔結(jié)構(gòu)，從通孔中可穿插固定桿或線纜，使得大直徑的球形換能器能夠更加便利地使用。

1 球形換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)球形換能器使用在較低頻率時，體積較大，安裝不便，使用場所會受到限制。本文設(shè)計的球形換能器通孔結(jié)構(gòu)如圖1所示，球殼的兩端開孔并安裝絕緣泡沫墊片3，防止金屬圓管4與壓電陶瓷球殼接觸。壓電陶瓷球殼使用“PZT-4”壓電材料制作，徑向極化，內(nèi)壁為正極，外壁為負極，內(nèi)外壁均附有銀層做電極。通孔球形換能器使用時可在通孔中穿插固定桿，測試與使用都較為便利。

圖2為球形換能器機電等效圖，通過換能器的機電等效圖，在已知壓電陶瓷球殼的尺寸以及材料參數(shù)時可計算出球形換能器的諧振頻率，作為設(shè)計球形換能器的依據(jù)。

圖1 通孔球形換能器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 球形換能器機電等效圖

由機電等效圖可求得徑向振速：

諧振時有

本文中換能器的工作頻段為14～35 kHz，外徑為65 mm，壁厚2 mm，徑向諧振頻率在27 kHz左右。

2 發(fā)射響應(yīng)仿真及測試

建立球形換能器的有限元模型，進行計算機仿真分析。圖3為球形換能器模型，圖4為仿真時設(shè)立的發(fā)射響應(yīng)方向，圖5～6分別為開孔直徑8、12、16、20 mm時，孔與球直徑比分別為0.12、0.18、0.24、0.3的通孔球形換能器開孔軸向以及垂直開孔軸向的發(fā)射響應(yīng)圖。從仿真得到的結(jié)果可以觀察到，隨著兩端開孔孔徑的變化，垂直開孔軸向的發(fā)射響應(yīng)變化呈一定趨勢。隨著孔徑的增大，諧振峰高度逐漸下降，諧振頻率逐漸減小。對于開孔軸向，隨著孔徑的增大發(fā)射響應(yīng)逐漸增大。

圖3 通孔球形換能器模型

圖4 發(fā)射響應(yīng)方向

圖5 垂直開孔軸向發(fā)射響應(yīng)圖

圖6 開孔軸向發(fā)射響應(yīng)圖

按上述方法制成通孔球形換能器，實物圖如圖7所示，使用材料為PZT-4型壓電陶瓷，壁厚2 mm，直徑65 mm，兩端開通孔直徑為8 mm，將其安裝在充油的PU管中進行測試，得到的發(fā)射響應(yīng)曲線如圖8所示。

圖7 通孔球形換能器實物圖

圖8 發(fā)射響應(yīng)曲線測試與仿真曲線

由圖8可知，測試的發(fā)射響應(yīng)曲線與仿真所得曲線基本相似，仿真誤差約為2 dB，開孔軸向的發(fā)射響應(yīng)曲線總體略高于垂直開孔軸向。這也與仿真結(jié)果相符。

3 通孔大小不同時指向性仿真研究

經(jīng)仿真研究，通孔球形換能器開孔大小不同對于其指向性變化范圍產(chǎn)生了一定的影響，分別對兩端開孔直徑為8、12、16、20 mm的通孔球形換能器做了仿真研究，其指向性方位圖以及使用范圍內(nèi)各頻點指向性如圖9所示。通過指向性方位圖以及其中五個頻點的指向性圖可以觀察到，由于0°方向?qū)?yīng)的是開孔軸向，頻率越高時指向性的變化越明顯。頻率為35 kHz時，通孔直徑為8 mm的球形換能器仍能保有較好的全向特性，指向性變化不超過3 dB，通孔直徑為12、16、20 mm的球形換能器-3 dB 開角分別為±50°、±36°、±30°。

圖9 各頻點指向性圖仿真

結(jié)合仿真及實驗研究，為了確保球殼換能器開通孔后指向性變化較小，保留有較好的全向性能，選取的兩端開孔球殼的開孔直徑應(yīng)不超過12 mm。

4 結(jié)論

本文通過將球形換能器設(shè)計為通孔結(jié)構(gòu)，使得球形換能器能夠便利地安裝在水聲設(shè)備上，利用球形換能器的通孔結(jié)構(gòu)穿插固定桿或線纜，既節(jié)約了空間，使得球形換能器安裝更加方便簡易，又可獲得球形換能器全向發(fā)射性能的應(yīng)用。直徑為65 mm、開通孔直徑為 12 mm 的通孔球形換能器在 14～35 kHz工作時，諧振頻率為27 kHz，最大發(fā)射響應(yīng)約為150 dB，且保留有較好的全向性能。因此，將球形換能器設(shè)計為通孔結(jié)構(gòu)是可行的，這種方法為球形換能器的設(shè)計提供了新的思路。