聲源指向性仿真研究

吳 萌，李志遠(yuǎn)

（中國船舶集團(tuán)第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

實際工作中要求聲源盡量接近無指向性的狀態(tài)，但是通過一些實測反饋得知，聲源上安裝的I型換能器在實際工作中指向性較為明顯。因此有必要對I 型換能器的指向性進(jìn)行仿真計算分析，掌握理論上的指向性情況之后,便于對聲源進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

聲源的指向性表示聲源輻射聲強(qiáng)的空間分布。換能器指向性的計算通常采用有限元軟件。哈爾濱工程大學(xué)的胡久齡[1]應(yīng)用有限元軟件ANSYS APDL 對于指向性障板圓管換能器的指向性進(jìn)行了計算。吳曙光等[2]應(yīng)用Comsol Multiphysics 計算了圓管式徑向換能器的聲壓分布和指向性，同時仿真了換能器發(fā)射聲波在混凝土中的傳播。徐躍平[3]利用ANSYS 軟件繪制網(wǎng)格同時計算諧響應(yīng)得到換能器位移振幅，將網(wǎng)格和位移振幅導(dǎo)入邊界元計算軟件SYS NOISE 中，應(yīng)用邊界元的方法計算得到換能器的指向性。由于Comsol Multiphysics 具有建模簡便、邊界條件設(shè)置全面、可局部細(xì)化網(wǎng)格以及求解方式多樣等優(yōu)點，本文應(yīng)用該軟件進(jìn)行發(fā)聲器的指向性的計算。

本文建立了I 型換能器簡化模型，計算其工作時的指向性，并與換能器指向性實測值進(jìn)行對比；建立了I 型換能器聲源實際安裝條件的簡化模型，計算其工作時的指向性。通過對比兩次仿真結(jié)果，可以確定聲源的拖體等對聲場指向性的影響。

1 換能器簡化模型的指向性仿真計算

1.1 模型建立與參數(shù)設(shè)置

首先對于單獨(dú)的I型換能器進(jìn)行指向性的計算。換能器總長度為390 mm，換能器上底座高度為70 mm，下底座高度為51 mm，腰鼓型換能器圓弧部分半徑為335 mm。壓電換能器簡化模型如圖1所示。

圖1 壓電換能器簡化模型

換能器底座圓心位置為（42，0，1150）（單位：mm）。在進(jìn)行指向性計算時，設(shè)置換能器工作在半徑為5 m 的水環(huán)境中，如圖2 所示。

圖2 壓電換能器工作水環(huán)境

計算過程中，換能器振動表面部分設(shè)置為環(huán)氧樹脂，上下安裝結(jié)構(gòu)設(shè)置為鈦合金。換能器工作在水環(huán)境中。材料的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 材料相關(guān)參數(shù)

其次計算中水域應(yīng)用到頻域的壓力聲學(xué)物理場，換能器部分應(yīng)用到固體力學(xué)物理場[4]。金屬部分邊界都設(shè)為絕對硬邊界，聲波按照球面波方式傳播，設(shè)置遠(yuǎn)場半徑為5 m 的球面為遠(yuǎn)場邊界。換能器表面加xoy方向各向同性1 m·s-1的振速作為聲源。

計算頻率設(shè)置為500 Hz、630 Hz、800 Hz 以及1 000 Hz。文中展示了不同頻率下?lián)Q能器垂直指向性的計算結(jié)果。

1.2 垂直指向性計算結(jié)果

選擇半徑為1 m 的位置進(jìn)行指向性計算。換能器垂直指向性計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 為單獨(dú)換能器在水中的聲場指向性仿真結(jié)果?？梢钥闯觯诠ぷ黝l率范圍內(nèi)，換能器幾乎都是無指向性的，符合使用要求。為驗證仿真計算的準(zhǔn)確性，接下來進(jìn)行單獨(dú)換能器指向性的測試。

圖3 換能器垂直指向性

1.3 換能器垂直指向性實測結(jié)果

實測中，換能器布放深度為2 m，水聽器在距離換能器1 m 的位置進(jìn)行測試。換能器實物如圖4所示。換能器發(fā)射單頻信號，測試過程中以10°為間隔進(jìn)行采樣，整理換能器指向性測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 換能器實物

圖5為換能器垂直指向性測試結(jié)果?？梢钥闯?，仿真計算的理論值與實際測試結(jié)果很相近，在工作頻段內(nèi)都表現(xiàn)為無指向性，只在具體的數(shù)值上有細(xì)微差別，這主要是由測試環(huán)境與仿真環(huán)境的差別造成的。仿真計算理論結(jié)果與實測結(jié)果較為接近，因此可以認(rèn)為，建立聲源簡化模型進(jìn)行聲場計算的方法是正確可行的。

圖5 換能器指向性測試結(jié)果

2 聲源的指向性仿真計算

2.1 聲源基本結(jié)構(gòu)建立

本文建立了一種簡化的聲源模型，如圖6所示。

圖6 發(fā)聲器簡化模型

其中，聲源拖體長度、直徑及殼體厚度等按照簡化尺寸進(jìn)行設(shè)置。圓柱中心位置為（0，0，0）。換能器模型大小同前，換能器與殼體接觸的底座圓心安裝位置為（42，0，1150）（單位：mm）。聲源頭部加透聲性能良好的玻璃鋼外殼。進(jìn)行指向性計算時，設(shè)置聲源工作在半徑為5 m 的水環(huán)境內(nèi)，如圖7 所示。

圖7 發(fā)聲器工作水環(huán)境

2.2 仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置

計算過程中，換能器的材料設(shè)置同前，拖體頭部透聲罩為玻璃鋼材料，聲源其余部分按照鈦合金材料考慮。拖體內(nèi)部設(shè)置為空氣環(huán)境，透聲罩內(nèi)部為水環(huán)境，聲源工作在水環(huán)境中。環(huán)氧樹脂、鈦合金及水的材料參數(shù)如表1 所示，補(bǔ)充空氣和玻璃鋼材料參數(shù)如表2 所示。

表2 補(bǔ)充相關(guān)材料參數(shù)

再計算中空氣域與水域應(yīng)用到頻域的壓力聲學(xué)物理場，拖體、換能器及透聲罩部分應(yīng)用到固體力學(xué)物理場。金屬部分邊界都設(shè)置為絕對硬邊界，聲波按照球面波方式傳播，設(shè)置遠(yuǎn)場半徑為5 m 的位置為遠(yuǎn)場邊界。換能器表面加各向同性1 m·s-1的振速作為輸入。

計算頻率設(shè)置為500 Hz、630 Hz、800 Hz 以及1 000 Hz。分別計算聲場的水平指向性和垂直指向性。

2.3 計算結(jié)果

2.3.1 水平方向計算結(jié)果

水平方向上，在z=1 300 mm 平行于xoy平面的平面選擇半徑為1 m 的位置進(jìn)行水平指向性計算。發(fā)聲器水平指向性計算結(jié)果如圖8 所示。

圖8 發(fā)聲器水平指向性計算結(jié)果

由于水平方向上沒有較大的障礙物，玻璃鋼材料透聲性能良好，因此并未表現(xiàn)出指向性，隨著頻率升高，聲場能量略降低。

2.3.2 垂直方向計算結(jié)果

垂直方向上，在x=42 mm 平行于yoz平面的平面選擇半徑為1 m 的位置進(jìn)行垂直指向性計算。結(jié)果如圖9 所示。

圖9 發(fā)聲器垂直指向性計算結(jié)果

垂直方向上，由于拖體體積較大，半徑為1 m的圓會與聲源拖體產(chǎn)生一部分重疊，因此圖9 中部分角度沒有對應(yīng)的指向性數(shù)據(jù)。對比圖3 和圖9可以看出，受拖體的影響，聲源在各個頻率下的指向性都有改變，在頻率升高時由于波長變小，指向性變得更加不均勻[5]。當(dāng)計算頻率升高時，聲場指向性最大值與最小值之間的差距顯然更大。因此，探索在高頻部分如何使聲場指向性分布更為均勻，是值得重點關(guān)注的問題。

4 結(jié)語

本文利用有限元計算軟件Comsol Multiphysics對聲源的聲場指向性進(jìn)行計算。從指向性計算結(jié)果可以看出，聲源水平指向性分布較為均勻，垂直方向受拖體影響指向性變化較明顯；高頻部分由于頻率變高、波長變短，受拖體反射、散射等影響較大，聲源指向性較復(fù)雜。

通常情況下要求聲源無指向性工作，但是受換能器工藝水平、拖體反射與散射以及環(huán)境因素的影響，實際工作過程中往往無法達(dá)到這一要求，后續(xù)工作中將對如何降低聲源的指向性進(jìn)行探索。