（水声工程专业论文）双壳体弯张换能器研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ee v e r - c o n t i n u i n ga d v a n c eo fr a d i a t e dn o i s er e d u c t i o nf o rs u b m a r i n e s c a u s e sg r e a td i f f i c u l t yi ns u b m a r i n ed e t e c t i o nb yp a s s i v es o n a r , a n da c t i v es o n a r h a db e e ni n 扛o d u c e da si m p o r t a n tm e a l a sf o rd e t e c t i o no fd i s t a n ts u b m a r i n e r e s e a r c h e sa b o u th i g l l p o w e r , l o w f r e q u e n c yt r a n s m i t t e ra r et h em o s ti m p o r t a n t t e c h n o l o g yf o rl o n gr a n g ea c t i v es o n a rs y s t e m s f l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e ri sa t y p i c a ll o wf r e q u e n c y , h i 曲一p o w e r t r a n s m i t t e r i t h a st h e a d v a n t a g e o fs m a l lv o l u m ea n dl i g h t w e i g h td u et o d i s p l a c e m e n t a m p l i f i c a t i o n t h e r e f o r ef o rl o wf r e q u e n c y , b r o a d b a n dt r a n s m i s s i o ni th a db e e nt h e h o tp o 缸o fc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h e sa l lo v e rt h ew o r l d m e t h o d s ，w h i c hu s u a l l yb eu s e dt oa c h i e v eb r o a d b a n dt r a n s m i s s i o n ，m a i n l y i n c l u d eb a n d w i d t he x t e n s i o no fs i n g l er e s o n a n c et r a n s d u c e r , m u l t i p l em o d e c o u p l i n gv i b r a t i o na n dc o m b i n a t i o nt r a n s d u c e r i nt h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e sa r e f o c u so nl o w f f e q u e n c y b r o a d b a n df l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e rd e s i g nb ym e a n so f m u l t i p l em o d ec o u p l i n gm e t h o d ， d o u b l e s h e l lf l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e rm e a n st oa d da n o t h e rs h e l la tt h es i d e o ft r a d i t i o n a lf l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e ro fc l a s si v f i r s to fa l l ，t h es t r u c t u r ee f f e c to fb o t hs h e l l so nr e s o n a n c ef r e q u e n c i e sa n d c o n d u c t a n c eo ft h et r a n s d u c e rh a db e e ns t u d i e d ，w h i c hi su s e dt os u m m a r i z e dt h e r u l e s t h ed o u b l e s h e l lf l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e rc a i lb eu s e dw i t h i nf r e q u e n c y r a n g e3 - 一6 k h zw i t hp e a kt r a n s m i t t i n gv o l t a g er e s p o n s e13 7 d b ，f l u c t u a t i o nw i t h i n t h ef r e q u e n c y r a n g ei sl e s st h a n7 d b f i n a l l y , t h et r a n s d u c e rw a sp r o c e s s e db yt h eo p t i m i z e dd i m e n s i o n sa n di t s i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt r a n s m i t t i n gv o l t a g er e s p o n s ew e r et e s t e d t h er e s u l t s h o w st h a tt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r ew e l l c o i n c i d ew i t hc a l c u l a t e d c o n c l u s i o n sg e t t i n gb ys o f t w a r ea n s y s k e yw o r d s ：f l e x t e n s i o n a l ；m u l t i p l e - m o d e c o u p l i n gv i b r a t i o n ；d o u b l e s h e l l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：加：加8 年弓月诏日 哈尔滨丁程大学硕+ 学仲论文 置嗣i 薯1 1 f i i , i i im = =-i 第1 章绪论 1 1 引言 二战初期，德国海军以潜艇为依托的“狼群战术”名噪一时，由于对潜艇 缺乏有效的探测手段，致使往来于英美之间的船队损失惨重。为了能够对抗 来自于水下的威胁，根据科学家的建议，美英盟军大力发展利用声波进行潜 艇的探测的技术，使不可一世的“狼群”完全暴露于水下，彻底丧失了潜艇攻 击的隐蔽性和突然性，成为待宰的“羊群”。接下来围绕水下探测与反探测所 展开的一系列技术革新，使水声学的研究向前迈进了一大步。二战后，伴随着 新技术革命的带来的科技进步，水声学的发展也达到了前所未有的高度。 水声工程是以水声学为基础的一门综合性跨学科的高新工程技术，其主 要应用于军事方面，可以应用于反潜、探测、定位、水声对抗、水声通讯等。 与军事领域一样，水声工程在海洋研究和开发中也具有重要的作用，可以应 用于海洋环境参数观测、海底地形地貌探测、海洋资源开发、海洋交通运输 管理、水下遥测遥感和渔业资源调查等等。而换能器是水声工程学中的一个 重要分枝。 换能器，顾名思义，是用来实现能量相互转换的器件，而水声换能器一 般都是指电一声转换的换能器，被用于水下发射和接收声波，是水声设备的 重要组成部分。水声换能器技术是一门综合技术，涉及到声学、电磁学、光 学、振动、材料、化学、流体力学、弹性力学等多种学科。水声换能器的研 究具有很强的理论性和实践性的特点。 近些年来，由于声隐身技术在潜艇和鱼雷上的应用与发展，世界海军强 国均大量装备了安静型潜艇，使得水下目标探测的难度大大提高了。为了增 强声呐的主被动探测性能，对水声换能器的发射功率、转换效率和接收灵敏 度等方面提出了更高的要求。这也直接关系到了国家领海主权的安全，因此 水声换能器的发展受到了各国的重视。 目前，各种新型换能材料的出现使得电声转换的效率不断提高，发射换 能器的辐射功率不断增加、尺寸和重量逐步下降，接收水听器的灵敏度换也 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 得到提高。换能器的设计理论和方法也在不断的发展，尤其是计算机技术的 应用和有限元软件的出现，使得换能器的设计更加方便、准确，计算的结果 更为全面和直观。换能器制作加工工艺的改进和完善又为换能器的发展提供 了有力的保障。各个方面的因素，都在推动水声换能器的研究不断向前发展， 为整个声呐系统的性能提高打下基础。 1 2 水声换能器的发展方向 当今水声换能器的发展趋势可以简单概括为“低、大、宽”三个字。这分 别涉及到换能器的频率、功率、带宽三项重要指标。也就是要求频率要低、 功率要大、带宽要宽。之所以提出如此要求，与换能器在军事领域的应用是 密不可分。 随着潜艇静音技术的发展，传统的被动声纳探测潜艇的方法遇到了困难， 远距离探测潜艇需要用主动声纳作为辅助手段，低频大功率发射换能器的研 究是远程主动声纳最重要的关键技术之一。然而，研制低频，大功率，高效 率并有小尺寸的发射换能器有很多限制。 首先，海洋中声波传播的吸收损失由球面扩展损失和吸收损失两方面组 成。其中吸收损失随频率变化。频率越高，距离越长，吸收损失越大，当频 率较低时，声波损失较小，可以传到比较远的距离。这是频率方面的要求。 其次，远程声纳必要要求声纳具有大的声功率，根据文献，在1 0 0 h z 若 要得到2 1 0 d b 的声源级需要4 0 0 0 w 的辐射声功率，而在低频时辐射声阻抗 中阻分量很小，导致辐射到水中的声功率非常小，即使机电转换效率很高， 总效率也是低的，因而想得到2 0 0 d b 以上的声源级有一定难度。这是功率方 面的需要。 而宽带的换能器有很多的优点。首先，换能器的带宽对信号传输有着非 常重要的影响。在频域，影响传输声信号的频谱；在时域，影响信号的波形， 宽带换能器的信号保持得很好，频谱很宽，而窄带的换能器信号的波形严重 畸变，且频谱很窄，会损失信息，因此使用宽带换能器在信号的传输方面具 有很大的优势。 综上所述，水声换能器目前主要的研究方向是研制低频，宽带，大功率 水声换能器，随着现代声纳技术的飞速发展，开发研制低频，宽带，大功率 2 眙尔滨l 样人学硕十学位路艾 水声换能器的重要性 1 渐显现。并逐渐成为水声领域的研究重点之”。 13 弯张换能器 随着现代声呐技术的进步和水声学应用的护腥，迫切需要尽可能集低频、 人功率、宽频带、小尺寸、深水性能好、可靠性高等诸多优j _ 于身的新型 水声换能器，然而在实践中，这些要求往往相垃制约，因此对水声换能器的 研究者提出了新的挑战，弯张换能器一是在这一背景下麻运而生的。 弯张抉能器是弯曲伸张换能器的简称。在文献中，“巧张( f l e x t e n s i o n a l ) ” 这个名字首次出现在1 9 6 6 年t o u l i s 的利中。巧张换能器的工作原理是利用 驱动元件的纵i 向伸缩抓动激励壳体作弯曲抓动，耦合成弯m 伸张振动模式 弯张换能器的优点是i 作频率低、辐射功率人、转换效率高、尺、j - 小等，不 足在 r 作带宽般并不宽，冈此拓宽频带足研究人员着重改进的方向之。 l3 1 弯张换能器的分类 _ 舞黟_ 啼- 墨! 蔓 _ 进鼍一_ - _ _ ，爹。稠眇 s h e t 一o i 宕 图i1 七种类型的弯张换能器 弯张换能器共分七种类型，结构如图i1 所示。弯张换能器的共同特点 ( i ) 弯张换能器都是利用驱动元件的纵振动来激励辐射面做弯曲振动， 因此都具有频率低的特点。 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 i i ( 2 ) 弯张换能器的弯曲辐射面具有振幅放大效应，可以产生较大的体积 位移，实现大功率声辐射。 ( 3 ) 弯张换能器的几何尺寸一般远小于工作频率下的水中声波波长，因 此这类换能器通常是无指向性的。 ( 4 ) 弯张换能器通常要在驱动元件上施加预应力。静水压会使凸形结构 中的激励元件上的预应力随工作深度增加而减小，而凹形结构中的预应力随 工作深度增加而增加。因此，具有凹形结构的换能器的极限工作深度要相对 大一些。 ( 5 ) 具有凹形结构的弯张换能器在振动辐射面上位相相同，而凸形壳体的 辐射面上存在反相区，会在一定程度上降低辐射声功率，但由于反相区的辐 射面很小，且反相振动的振幅很小，因而具有凸形结构的弯张换能器仍能产 生大的辐射声功率。 从二十世纪八十年代初开始，水声换能器逐渐向低频发展，由于弯张换 能器在低频段的优势，使其研究受到广泛关注。各国专家不但对已有的弯张 换能器的结构进行改进和优化，而且不断创新，研制出各种新型弯张换能器。 1 4 2 弯张换能器的新进展 近年来，弯张换能器在结构设计、激励方式、优化方法上都有很多创新 【5 - l5 】 o 以结构为例，瑞典的h e n r i kb o r g 在2 0 0 1 年的u d t 会议上提出了一种 新型结构，将稀土激励的型弯张换能器当作激励源，在短轴顶点支撑一个 圆形平面作为辐射面，而弯张壳体被密封在圆柱形壳体当中，2 0 0 4 年g 6 r a n e n g d a h l 在自己的专利中也提出了与h e n r i k b o r g 类似的结构，不同的是辐射 面是矩形。 4 汐雾 ( b ) h i kb o r 8 的设计b ) 6 i r 邮i f n s d t d a l 的专利 图12h e n r i kb o r g 和g 6 r a ne n g d a h l 的专利 如图1 2 所示，这种换能器实际上是拓展了弯张壳体的辐射面，以此获 得更低的频率并利用多阶振动耦合来拓展带宽，其在低频与宽带方面都取得 了很好的效果。但是该换能器的缺点是：结构为空气背衬，耐静水压能力较 弱，无法实现大深度工作。另外受这种结构的启发，目前也有人尝试用弯张 换能器堆驱动更大的弯张壳体。这些都是弯张换能器设计中的创新做法。 m i 三 ：戛盼 i 。媸。 , - t - 越之， i m 一 ：+ 缈= 黪 图13 指向性型弯张换能器 在激励方式上，美国的s t e p h e n cb u t l e r 等人研制出具有指向性的i v 型 弯张换能嚣，如图1 3 所示。这种换能器的驱动采用两组压电堆分别激励， 当所加激励相位相同时，换能器是一个单极子，无指向性；当所加激励相位 相反时，换能器是一个偶极子，具有8 字形指向性；调节激励达到一个适当 的相位时，换能器相当于单极子与偶极子振动的替加，一边不动，单面辐射， 呈心形指向性。 此外，在弯张壳体的优化方法方面，巴西圣保罗大学g i l d e rn a d a r 也做 了有益的尝试。他将有限元法与优化设计理论相结合，对弯张壳体结构进行 拓扑优化，制作出样机并用激光干涉法进行实际测量，模拟结果与测量结果 非常稳合。如果1 4 所示。 1 i f ? _ 吁霹甲雕叩粥啊黔孵孵_ ”。p 图1 4g i l d e r n a d a r 优化的弯张换能器 15 本文研究内容 根据前面所介绍的国内外研究概况，低频大功率宽带发射换能器是目前 国内外研究的热点。由于有振幅放大效应，i v 型弯张换能器在用于低频发射 时，具有体积小、重量轻的优点。但型弯张换能器工作在呼吸模态时，本 身的带宽不宽，机械o ”值约为4 ，给实际的应用带来了诸多不便。因此，宽 带弯张换能器的研究成为目前亟待解决的问题。 本文的主要工作重点是研究利用一种新型结构实现弯张换能器宽带发 射。这种方案是采用双壳体结构”“，即在普通i v 型弯张换能器的侧面增加一 个新的壳体结构，使得换能器有两种结构的壳体，其各自的谐振频率不同， 利用双峰振动耦合原理实现宽带。 本文首先利用有限元软件a n s y s 对双壳体弯张换能器的空气背衬理想 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 iii_ i_ 模型进行了细致研究，总结了结构尺寸对频率特性和阻抗特性的影响规律。 然后在空气背衬理想模型的基础上将双壳体弯张换能器改进成工艺可实现的 溢流式换能器。并针对由此出现的绕流问题对壳体结构作出了进一步的改进， 从而使性能得到了较大幅度的提升。 最后根据软件分析结果，按照优化方案加工制作了溢流式双壳体换能器， 并对其电声性能进行测量。 7 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 第2 章换能器的理论分析方法 2 1 可用于分析弯张换能器的理论方法 与常规的换能器相比，弯张换能器的理论设计比较复杂。可用于分析弯 张换能器的理论方法有五种：等效电路法、瑞利法、有限差分法、边界元法 与有限元法。 2 1 1 等效电路法 d d v l 曲量湖u a 鹭 w k k 即哮譬 l 【( ( 1 乞彤豳! | | 尸h 1 心v l z ( ( ，l ( ，1 圜ll 一 曲豳 t 口毛 由嘧 图2 1p i e c e p a r t 等效电路法 等效电路法是换能器设计的一种经典方法，针对型弯张换能器d e b u s 提出了一种很好的方法叫做p i e c e p a r t 等效电路法7 1 ，如图2 1 所示。压电陶 瓷振子被描述为机电两部分电路，在电端有一个静态电容，在机械端有等效 电感和等效电容，机电两部分之间有一个转换系数，而辐射壳体被描述为一 个负载，将此负载加到振子的电端就是整个型弯张换能器的等效电路图， 其中负载是壳体的第一阶弯曲模态。但这种方法在计算壳体频率和描述的振 动模态并不准确，d e b u s 提出型弯张换能器在工作时并不只是第一阶弯曲 模态有贡献，而是各阶振动模态共同作用的结果。因此，负载应等效为多阶 振动模态并联的形式，但实际上只要把第二阶弯曲模态也考虑上就可以满足 计算精度了。整个换能器的等效电路如图2 2 所示。 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( a ) 一个壳体模态( b ) 两个壳体模态 您 图2 2 型弯张换能器的等效电路图 2 1 2 瑞利法 瑞利法，也称能量法，是瑞利在研究微振动时，估算要研究振动系统在 某种振动模式的特征频率时所采用的方法。 瑞利原理的内容是：对于任何一个振动系统，在给定模式的情况下，利 用它的最大位能与没有频率因子的最大动能的比值，就可以近似确定该模式 的本征频率。 r r 簖= 毫 ( 2 - 1 ) 蝣= _ 【2 1 ) 使用瑞利法时，首先要确定所研究的振动模态及振动位移分布，利用其 求出该模态的动能和位能的表达式，再利用瑞利原理确定该模态应具有的谐 振频率。 2 1 3 有限差分法 有限差分法是利用数学上的近似，把所考虑的区域化成一系列网格，把 有限差分代替微分，把微分方程和定解条件离散化，得到差分方程，这样就 把微分方程问题变成网格节点未知量的代数方程求解问题。有限差分方法要 求从实际物理模型出发，得出微分方程和定解条件，在微分方程和定解条件 已知的基础上，通过数学上的离散近似，进一步求解，由于微分方程和定解 条件要求得到具体的数学表达式，限制了有限差分法的应用范围，在解决换 能器问题上，只适合处理结构相对简单，几何形状比较规则的换能器类型。 2 1 4 边界元法 边界元是根据积分定理，将区域内微分方程变成边界上的积分方程，吸 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 - - - 7i li m i- - - j i l - 收有限元的剖分近似思想，将边界离散成有限个单元，把边界积分方程离散 成代数方程，最后变成计算关于节电未知量的代数方程求解问题。边界元法 的优点在于把考虑的问题仅归到边界上有限单元求解问题，时问题求解范围 降低一维，因此只需要对边界进行单元分割，区域内点上的场量可以通过求 得的边界上离散点的值进行直接计算，边界元法在解决场问题中应用广泛。 但是它在单独解决换能器问题时有一定的局限性，因为它不能精确地模拟出 复杂结构形式换能器内部精细结构和振动复杂性，只能处理简单形式的换能 器及已知表面振动速度分布的辐射声场计算问题。 2 1 5 有限元法 有限元方法是目前工程实践中大量采用的一种数值计算方法，以变分原 理和剖分插值原理为理论基础。剖分插值是把用于结构振动分析的整个连续 体想象地剖分成有限个单元，这些单元在其边界面( 或边界线) 处彼此连接， 以单元边界( 或边界内) 的节点处的参数为未知量，构造未知量节点值和单 元内任意点值关系的插值函数，从而建立整个连续体近似满足的方程组，用 计算机完成求解。 有限元法在进行振动分析是具有特殊的优势，能够适应边界形状不规则， 材料非均匀，各向异性等复杂情况，不必受到换能器的结构的限制，所以这 种方法非常适合弯张换能器的分析。尤其是应用有限元软件来完成分析，过 程非常简单。目前较流行的有限元软件有a t i l a 、a n s y s 、c o s m i c 、 n a s t r a n 、s a p 等几十种。 振动理论法和等效电路法在设计弯张换能器时，不但计算过程非常复杂、 结果误差大，而且无法进行结构的优化。使用有限元软件，不仅可以分析换 能器频率特性、阻抗特性、带宽特性和辐射特性，而且还能进行结构的应力 分析、磁致伸缩材料的磁路分析、换能器的热分析和结构性能优化，给弯张 换能器的分析和设计带来极大的方便。 2 2 多模耦合实现宽带的理论分析及应用 目前，多模振动耦合是实现宽带发射的最有效的途径，大多数换能器拓 展带宽都应用多模耦合。这种方法在业内已经得到了广泛应用。对于多模振 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 动耦合换能器的理论分析，通常采用等效电路法和有限元法这两种方法。本 文采用的是有限元法，在后面章节中会详细介绍，因此这里只介绍经典的等 效电路法。 膏种犋态第n 种模态 ， 一、，一一 、 - c t删= 图2 3 多模耦合换能器的等效电路 等效电路法是换能器设计的一种经典理论方法。通常，单谐振的压电换 能器可以等效为r l c 串联支路与静态电容并联的回路。由于电损耗阻相对较 小，可以被忽略。根据电路的原理和方法可以对换能器的性能作出比较精确 的模拟，被实践所验证十分有效。 对于多模态耦合振动换能器依然也可以利用这种方法进行分析。将各种 模态分别用r l c 串联支路代替，各模态支路之间相互并联，如图2 3 所示。 图中，r l l l c l 表示第一种模态，r n l i l c n 表示第1 1 种模态，r n l n c n 表示第n 种模态，也就是所考虑的频率范围内的最高模态。 2 3 本章小结 在本章中，首先介绍了几种弯张换能器的常用设计方法，包括：等效电 路法、瑞利法、有限差分法、边界元法和有限元法。然后介绍了多模振动耦 合的经典理论，即等效电路法。并介绍了近期利用多模耦合原理拓展带宽的 实例。 第3 章双壳体弯张换能器理想模型研究 3 1 分析的思路及简化原则 本文所要分析的理想模型，是双壳体弯张换能器的空气背衬模型。这种 模型只考虑换能器的基本结构，主要由主壳、副壳和陶瓷堆三部分组成，并 假定主副壳体的内腔由空气填充。其中主壳指型弯张换能器的椭圆壳体， 副壳是嵌入主壳侧面的较小的椭圆壳体。如图3 1 所示，为双壳体弯张换能 器的基本结构。 图3 1 双壳体弯张换能器 下面用a n s y s 有限元软件分析理想模型的相关性能。 3 2 空气中性能分析 3 2 1 建立空气中的理想模型 首先建立换能器空气中的理想模型。由于双壳体弯换能器模型是中心对 称的，因此在用a n s y s 软件分析时，可以只建立l ，8 模型，施加对称边界条 件后就可以模拟整个换能器的性能。如图3 2 所示，为双壳体换能器的有限 元模型。 图3 2 双壳体换能器的1 8 有限元模型 该模型中主壳、陶瓷堆、连接块、d 型头的高度相等，而副壳的高度与 陶瓷堆的宽度相等。这为下一步的尺寸优化带来了便利。另外由于结构规则， 便于划分为精确的六面体网格，从而保证了计算精度。 3 2 2 空气中的模态分析 模态分析可以直观地显示换能器的振动方式，包括振动位移分布，振速 的分布，并可以直观显示换能器各阶谐振频率下的振动相位。便于对换能器 振动及结构特性的分析研究。 分析双壳体弯张换能器的振动模态可以利用a n s y s 软件的模态分析功 能，模态分析用于分析结构的自然频率和振形。在自由状态下控制方程为 m i + c h + k u = 0 ( 3 一1 ) 对于无阻尼情况阻尼项c d 被忽略，方程简化为 ( k 一吐1 2 姐= o( 3 - 2 ) 对双壳体的l ，8 有限元模型施加对称边界条件，在求解器中利用稀疏矩 阵法进行求解，在通用后处理器中可以提取求解结果。可以利用振动位移矢 量圈来观察各阶模态的振动特点( 如图33 ) 。 哈尔滨下程大学硕十学位论文 图3 3 换能器前两阶谐振频率下的位移矢量分布 模念分析的结果显示了前两种主振模态，由位移矢量分布图可以看出， 双壳体换能器的一阶主振模态( 呼吸模态) 是以主壳体的基频振动为主，副 壳体为辅，主壳与副壳的振动相位相同。而双壳体换能器第二阶振动模态以 副壳的基频振动为主，主壳体的振动为辅，主壳与副壳的振动相位相反。当 换能器在水中振动辐射声波时，壳体振动的相位相同，可以产生声压迭加， 从而增强辐射性能；而主副壳的振动相位相反，则辐射声压会相互抵消，对 辐射性能造成不良影响。经过大量模拟仿真计算，最终的结果显示，换能器 二阶模态主副壳振动相位相反的情况很难消除，但可以通过精确的尺寸设计， 加强副壳的振动，减小主壳的振动，从而尽量减小主壳反相振动所造成的不 利影响。 3 2 3 空气中的谐响应分析 谐响应分析是对换能器的陶瓷堆施加不同频率的交流电载荷，得到换能 器在空气中的导纳曲线和导纳圆图，反映了换能器的阻抗性能随频率的变化 情况。 在针对换能器的谐响应分析中，主要目的是计算换能器的导纳曲线。换 能器导纳值y 以及g 分量、b 分量的关系如下： 】，= 吾= g + 归( 3 - 3 ) 矿 。 在用a n s y s 有限元软件求解时所遵循的公式为： 1 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 一i ii ii i 宣i i 宣i 宣宣i 宣i i 宣宣i 叠i i 萱i i 宣置宣 a q 】，= 巫= 国里( 3 - 4 ) vv j g = r e y 】 ( 3 5 ) b = t m v ( 3 - 6 ) 在后处理中，按照以上公式进行计算，得到换能器的导纳曲线和导纳圆 图( 如图3 4 ) 。 l k f i 2 5 t m 2 1 2 0，o 柚3 2 3 4 0 0珊 2 7 1 02 啪，t 蛐, 1 3 1 0 姗 r p , b 创朋“( h z ) x ，。 、 7 一、 r 厂 、0 卜、 。 l ￥ l j 、- - _ ，一 0 ”3 0犯碍 s抬53 t 5置5订5 口( m n ， 图3 4 换能器空气中的导纳曲线和导纳圆图 由导纳曲线可以看出，在2 6l d - - i z 3 7 k j - l z 这一频段中，电导值存在两个 峰值，其分别对应了换能器振动的前两阶谐振模态。其中，一阶谐振模态频 率为2 9k h z ，对应的电导值为5 8 m s ；二阶谐振模态频率为3 5k h z ，对应的 电导值为1 7 m s 。 3 2 4 换能器结构尺寸对换能器频率特性和电导值的影响 按照上面介绍的模态分析与谐响应分析的计算方法，通过固定其它尺寸 参数而变化某_ 特定尺寸参数的方法进行反复计算，总结各尺寸参数对换能 器性能的影响。 3 2 4 1 主壳结构参数对频率特性和谐振点电导值的影响 下面是主壳相关结构参数对频率特性和谐振点电导值影响的总结。 1 5 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 表3 1 主壳体长轴对谐振频率和谐振点电导值的影响 主壳长轴长主壳谐振频率副壳谐振频率主壳电导值副壳电导值 ( m i l l )( h z ) ( h z ) ( 1 n s )( n l s ) 2 2 71 2 5 7 1 7 9 5 5 81 5 2 2 91 2 2 9 1 8 0 0 5 51 5 2 3 11 2 1 1 1 7 9 8 5 01 4 2 3 31 2 0 01 8 0 24 41 3 2 3 51 1 9 21 7 9 74 21 3 由表3 1 可见，随着主壳体长半轴的增加，主壳体的谐振频率和电导值 呈单调下降趋势。而对副壳的谐振频率没有太大影响。这是由于主壳体长轴 增加，导致主壳体的刚度下降，因而频率会降低，主壳谐振点的电导值也有 所下降。而副壳尺寸没有变化，因而对副壳的影响很小。 表3 2 主壳体厚度对谐振频率和谐振点电导值的影响 主壳体厚度主壳体谐振频率副壳体谐振频率主壳电导值副壳电导值 ( m m )( h z )( h z ) ( n l s )( 1 1 1 s ) 6 51 1 8 01 8 0 05 81 5 7 5 1 2 5 0 1 7 9 66 21 5 8 51 3 6 01 8 0 26 61 6 9 51 4 0 01 8 0 07 01 7 由表3 2 可见，随着主壳体厚度的增加，主壳谐振频率逐渐提高，而副 壳的谐振频率几乎没有影响。这是因为主壳体厚度增加导致主壳体刚度增加， 所以谐振频率会逐步上升。同时厚度的增加提高了主壳的机械q 值，使主壳 的辐射能力增强，因此电导值也有所增加。 表3 3 主壳体长短轴比对谐振频率和谐振点电导值的影响 主壳体长短轴比主壳体谐振频率副壳体谐振频率主壳电导值副壳电导值 ( h z )( h z ) ( 豳) 21 3 5 01 7 8 05 71 5 2 51 2 5 0 17 9 0 5 81 5 3 1 1 5 01 8 0 05 71 5 1 6 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 由表3 3 可见，随着主壳长短轴比的增加，主壳的谐振频率下降，而对 副壳谐振频率基本没有影响。这是由于长短轴比的增加使弯张壳体的辐射面 积增加，由此导致壳体的等效质量和等效阻抗增加，因此频率会下降。而对 电导值几乎没有影响。 。 表3 4 主壳体高度对谐振频率和谐振点电导值的影响 主壳体高度主壳体谐振频率副壳体谐振频率 主壳电导值副壳电导值 ( 衄)( h z )( h z )( m s )( m s ) 7 01 3 2 0l7 8 05 81 5 8 0 1 2 8 0 1 7 8 5 6 11 4 9 01 2 7 01 7 8 06 51 4 1 0 01 2 5 71 7 9 06 81 3 由表3 4 可见，随着主壳高度的增加，主壳的谐振频率呈缓慢递减趋势， 而副壳谐振频率几乎不受影响。这是因为主壳高度增加导致主壳的刚度下降。 因而频率会下降。由于振子高度与主壳高度呈随动关系，因此主壳的电导值 呈上升走势。 3 2 4 2 副壳结构参数对频率特性和谐振点电导值的影响 分析方法与主壳相同，下面是副壳相关结构参数对频率特性和电导值影 响总结： 表3 5 副壳体长轴对谐振频率和谐振点电导值的影响 副壳长轴长度主壳体谐振频率副壳体谐振频率 主壳电导值副壳电导值 ( m i i l )( h z )( h z ) ( m s )( m s ) 3 51 2 8 02 0 8 05 81 5 6 51 2 8 01 9 2 05 71 2 9 51 2 8 01 8 5 05 71 0 1 2 51 2 4 01 8 0 05 87 1 5 51 2 4 01 7 5 05 95 由表3 5 可见，随着副壳长轴长度的增加，副壳体的谐振频率和电导值 呈现下降趋势，而主壳的谐振频率和电导值几乎没有变化。 1 7 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 表3 6 副壳体厚度对谐振频率和谐振点电导值的影响 副壳体厚度主壳体谐振频率副壳体谐振频率主壳电导值副壳电导值 ( m m )( h z )( h z ) ( 硒)( m s ) 51 2 3 01 4 2 05 81 5 61 2 4 01 7 2 0 5 6 1 7 71 2 3 0l8 5 0 5 72 l 81 2 3 51 9 2 05 52 5 91 2 3 02 0 5 0 5 63 2 由表3 6 可见，当副壳体厚度增加时，副壳的谐振频率与电导值逐渐增 加，而主壳的谐振频率与电导值几乎没有变化。 表3 7 副壳长短轴比对谐振频率和谐振点电导值的影响 副壳长短轴比主壳体谐振频率副壳体谐振频率主壳电导值副壳电导值 ( h z )( h z ) ( m s )( m s ) 21 2 8 01 9 5 05 81 5 2 51 2 8 01 8 8 0 5 5 1 6 31 2 7 01 8 1 0 5 7 1 4 由表3 7 可见，随着副壳长短轴比的增加，副壳体的谐振频率呈递减趋 势，主壳的谐振频率几乎没有变化。而主副壳的电导值没有太大变化。 表3 8 副壳高度对谐振频率和谐振点电导值的影响 副壳的高度主壳体谐振频率副壳体谐振频率主壳电导值副壳电导值 ( m m )( h z )( h z ) ( m s )( m s ) 3 61 2 5 0 1 8 2 05 81 5 4 01 2 6 01 8 0 05 61 6 4 41 2 5 5 1 7 9 05 5 1 9 4 81 2 6 31 7 7 05 62 2 5 21 2 5 81 7 5 05 52 5 由表3 8 可见，随着副壳高度的增加，副壳的谐振频率呈下降趋势，电 导值呈上升趋，而主壳的谐振频率与电导值变化不大。 通过以上分析，可以看出，壳体结构尺寸对换能器频率性能和谐振点电 哈尔滨工程大学硕士学何论文 导值影响的规律比较清晰。印主副壳体的结构尺寸只是对各自的性能有影响， 它们之间没有明显的相互作用，而且这种对性能的影响是单调的。总结了以 上的规律，就可以根据需要，通过调节尺寸改变换能器的性能，从而为结构 优化提供依据。这种性能的可控性，是双壳体弯张换能器的优点之一。 3 _ 3 水中的性能分析 3 3 1 建立水中的理想模型 图3 5 换能器的水中模型 如图3 5 ，该有限元模型为空气背衬模型，壳体内侧并没有流体单元，图 中红色部分为内层流体单元，包含结构自由度：蓝色部分为外层流体单元， 不包含结构自由度，其尺度大致为换能器最低谐振频率下3 5 个波长；最外 层为吸收边界，即声波传播到此边界，不会发生反射，以此来模拟远场环境。 建立了水中的模型后，就可进行换能器的电声特性分析。由于换能器上 施加的是正弦交变电压，因此可以利用谐波响应进行分析，其控制方程为 m z i + o i + k u = f o e 归 ( 3 - 7 ) 利用谐波响应分析可以得到换能器在工作状态下的阻抗特性、位移振速 分布、应力应变分布和辐射特性等等。 3 3 3 水中的谐响应分析 换能器水中的谐响应分析方法与空气中的分析大致类似。仍然通过导纳 曲线和导纳圆图反映换能器的导纳特性。 图3 6 换能器在水中的导纳曲线和导纳圆图 如图3 6 所示，水中的导纳曲线较空气中的导纳曲线相比，电导值明显 降低，而且曲线起伏更加平缓，而且谐振频率也有明显下降。这是由于水的 密度与粘滞系数远大于空气，因此换能器在水中振动时，基辐射表面的等效 质量远大于空气中的等效质量。 而换能器的角频率公式为： 厅 峨2 恼( 3 - 8 ) 其中m 为等效质量，k 为等效刚度，由此可见，等效质量的增加必然导 致谐振频率的降低。此外，换能器在水中振动的辐射阻抗要远大于空气中的 辐射阻抗，因此电导值也明显减小。 另外通过查看换能器在水中声压的分布，可以直观了解换能器工作时对 周围流体的作用情况，如图所示。 99 图37 换能器前两阶谐振状态在水中的声压分布 由图3 7 可见，一阶振动模态以主壳的基频振动为主，二阶模态则是以 哈尔滨t 稗大学硕+ 学位论文 m _ i i 副壳的基频振动为主。 3 3 4 辐射特性分析 换能器的发射电压响应的定义为：在换能器的声轴方向上，距其等效声 中心1 米远处所产生的球面波自由场声压与其输入的电压之比。 品= 等 ( 3 - 9 ) 式中，p ( 1 ) 为距等效声中心1 米远处的球面波自由场声压，v 为所加电压 其分贝表示为 s p z = 2 0 l o g j s r v 。- - 2 0 l o g 品+ 1 2 。 ( 3 - 1 。) 式中，s v o 为电压响应基准值1 p p a v 。 最后，得到优化后的换能器的发射电压响应，如图3 8 。 工 5 1 4 0 s 1 3 6 1 3 1 5 1 2 7 t v r ( d b l 1 2 2 5 1 1 8 1 1 3 5 l o g i o ，5 1 0 d 厂 、 广、l 、 、- 一 1 - u u1 ，u uz - 4 u jz i u uj i o uj 川u 1 7 0 02 1 0 02 5 0 02 9 0 03 3 0 0 f r s q u e n c y h z ， 图3 8 换能器在水中的发射电压响应 从发射电压响应曲线可以看出，在1 6 k h z 3 3 k h z 间，换能器的发射电 压响应峰值为1 4 0 d b ，在1 3 6 d b 与1 4 0 d b 间起伏。上下不超过5 d b ，在获得 了较高响应的同时也具有良好的宽带性能，这也印证了通过双壳体振动拓展 带宽的是可行的。为下一步的改进奠定了基础。 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 4 新方法的应用 值得一提的是，文中在分析流体模型时采用了一种新的处理方式，即先 将流体模型分离成规则的几何体，然后分别分网后再进行耦合。如图3 9 所 目ro 戳募 鬟喜麓霪 鬻攀爹爹 图3 9 新方法的作用效果 从3 9 左图可以看出，主副壳之间的弧形四面体流体模型与主副壳正上 方的流体模型的网格是不连续的。这说明该体在分好网格后，各体之间不接 触，这样做可以保证将各分体划分出高质量的六面体网格。但换能器的实际 工作情况要求各体之间必须相互连通，也就是各个体之间接触面上的节点应 当是共用的。为了保证与实际情况吻合，于是采用了一种特殊处理方法，即 在并不接触的体的相邻边界面之间通过约束方程将相邻节点耦合在一起，从 而保证了边界面处位移的连续性。如3 9 右图所示，是对弧形四面体侧面的 特写，可见在其边界面处存大量的网状结构，该网状结构就是a n s y s 软件 对约束方程的直观显示。 与传统方法相比，新方法的好处在于： ”网格划分更加规则，大大减少了劣质网格数量从而提高了计算精度。 2 ) 降低了建模及网格划分的复杂程度，很大程度上降低了建模的工作量。 此外这种处理方法对于型弯张换能器还有特别的意义。因为用 a n s y s 软件划分椭圆壳体侧面的接触流体一直以来都是一个难点。为了划分 出高质量的网格，一般是通过旋转等方法产生新的旋转体，这不可避免的使 内层流体更加琐碎，而且由于接触面较多，对于平面中包含子平面的模型， 2 2 哈尔滨丁释大学硕七学位论文 几乎无法用扫略或映射方法生成网格，因而造成网格划分质量不高。而在面 对更加复杂的结构体时，传统方法几乎束手无策。而新方法则可以从容解决 这一问题，模型中所有网格均为映射网格。 关于这种新方法的可行性，本文在应用之前已经做过大量验证，用于验 证的模型包括型弯张换能器模型、复合棒纵振换能器模型、圆管换能器模 型以及镶拼圆环换能器模型。用新方法得到的计算结果与传统方法的计算结 果基本保持了一致，甚至较传统方法更接近于实测值。因此这种新方法在换 能器领域的应用具备实验依据，完全可行。 3 5 本章小结 通过对理想模型的一系列分析，可以看出，采用了这种双壳体结构之后， 的确可以很好的改善换能器的发射带宽，与此同时也保证了足够的发射响应 水平。因此这种换能器具备很好的研究价值。在工程中有很好的应用前景。 另外本章对理想模型的研究表明，该换能器的振动特性、辐射特性以及 阻抗特性与换能器主要的结构尺寸存在着明显的线性的规律。这为进一步精 确的量化设计提供了可靠依据。这是本文所研究的换能器的优点之一。 然而从现有的工艺水平角度出发，按照理想模型，将换能器设计成空气 背衬的形式，制作起来存在很大困难，主要一点就是这种结构难于密封。换 能器在水下工作，一旦进水，会造成内部的驱动部件短路，损毁换能器。 不仅如此，空气背衬的换能器，其工作深度也大受限制，一般不超过 2 0 0 m 。而且随着深度的增加，振子的预应力会逐步释放，使换能器的辐射性 能下降。因此，在综合了工艺水平和工作深度两方面因素考虑后，决定将换 能器设计成工艺可实现的溢流式。下面将以理想模型为基础，对双壳体弯张 换能器的溢流式模型进行研究，并对结构进行进一步的创新，力求设计出一 种性能优良的溢流式双壳体弯张换能器。由此不但解决了加工制作问题，还 同时获得了几乎无限的工作深度。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 -：2- _ i i ii - = ii - - i | 第4 章溢流式双壳体弯张换能器的研究 4 1 绕流问题的出现 鉴于第三章最后所考虑的工艺实现问题，本章将以空气背