（水声工程专业论文）匹配层宽带换能器优化设计及工程应用.pdf

坠玺鎏i ；垄查兰鎏点耋堡竺奎 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu n d e r w a t e ra c o u s t i c s i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n i q u e m o r ea n dm o r ei n f o r m a t i o n 讧n e e d e df r o mu n d e r w a t e re q u i p m e n t t r a n s d u c e r s s ow en o to n l yd e s i g na n dp r o d u c eat r a n s d u c e rw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o wf r e q u e n c y ，g r e a t - p o w e r ，s m a l ls i z e ，越曲一s e n s i t i v i t ya n d h i g h e f f i c i e n c y ，b u ta l s oi th a sab r o a dw o r k i n gf r e q u e n c yb a n d t h et e c h n o l o g yo fm a t c h i n gl a y e rt r a n s d u c e ri sa ne f f i c i e n tm e t h o di n m i d d l e h i g hf r e q u e n c ya m o n gm a n ym e t h o d so fb r o a d e nt h ef r e q u e n c y o f t r a n s d u c e r s b a s eo nt h em a n yy e a r sr e s e a r c h i n go nm a t c h i n gl a y e rl r a n s d u c e r ，t h e a u t h o ra n a l y s e dt h et h e o r ya n dt h ee l e c t r o - a c o u s t i cc h a r a c t e ro f t h em a t c h i n gl a y e r t r a n s d u c e rc a r e f u l l y ，a n ds e a r c h e dt h eo p d m i z ed e s i g no ft h em a t c h i n gl a y e r f f a n s d u c e ra tt h es a l n et i m e ，u n d e rt h et h e o r e t i cr e s e a r c h i n g ，t l l ea u t h o rd i d e x p e r i m e n ta b o u tf i t t i n gt e c h n i c so ft h et r a n s d u c e ra n da r r a y ，a n dc o m p a r e dt h e r e s u l to f t h e e x p e r i m e n tt ot h et h e o r y ，s oa st oa c q u i r e b e t t e rt r a n s d u c e ra n da r r a y f o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f o rb r o a d e nt h eb a n dm o r e ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h em e t h o do fa d d i n g c o m p l i a n c es t a f f 协s i n g l em a t c h i n gl a y e rt r a n s d u c e r ，a n a l y s e dt h e e f f e c to f m a t c h i n gl a y e ra n dc o m p l i a n c es t u f f f o rt h et r a n s d u c e ra n ds t u d ye x p e r i m e n t t h ep a p e rc o m b i n ew i mt h er e s e a r c ho ft h e8 6 3t a s k - 一幽ee x t r ab r o a db a n d b e n t h a ls e c t i o na p p a r a t u sa n dt h es y n t h e s i z ea p e r t u r es o n a ro c e a ne x a m i n a t o r i a l m a c h i n ea n dt h e1 0 “f i v e y e a r p l 锄一也em u l t i m o d u l eb r o a d b r a n dt r a n d u c e r a p p l y i n gt h et e c h n o l o g yo fb r o a d a nb r a n du s i n gm a e h i n gl a y e r ，t h ep a p e rm a d e s e v e r a lv a r i f yt r a n s d u c e ra r r a ya n dp a s s e dt h el a k ea n do c e a ne x a m i n a t i o n k e yw o r d s ：b r o a d b a n d ；m a t c h i n gl a y e r ；o p t i m i z i n g ；e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n i i 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 献的引用己在文中指出，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：2 0 0 6 年4 月1 0 日 塞望鎏；蠹篓奎茎垒耋耋垒釜圣 第1 章绪论 1 1 宽带换能器及阵列的币开究意义 麓羲海洋资源进步开发及各国对领海投赫曩盏震援，承声设餐靛应翔 也日新用异。不论水声信号处理技术如何先进，都需臻从换能器获得足够多 的信息，低频、大功率、小尺寸、宽带是目d f 水声换能器及阵列的发展方向。 对予单搂振动戆缀攘挨憨器，要怒增热频带宽瘦，涂降低换麓器本骞躲 等效质薰特别是前盏板的等效质量外，就悬增加阻尼，最好是增加有功辐射 阻。但即便这样，换能器的机械q 二值也很难做到2 5 以下，因此一般都采用 多摸摄蕊线多激融濠王俸采增大带塞。在谈到宽频沓换女器时，翔簿定义蒂 宽有多种提法，目前最常用的是电导、电压发射响应和接收灵敏度响应带宽， 至于电流响应带宽和功率响应带宽都可以从电导、电压响应带宽挟算出来。 电导与毫蘧璃应带窝楚反映发射性麓，坦宅髓戆含义燕不困静。惫譬器宽仅 仅反映换能器与发射机阻抗匹配情况，当发射机为恒压源时，电导带宽也就 称其为半功率点带宽，即电导半对应的带宽。在恒压源下，此处频率即为 啜毂半功率娃( 籀对手港攘毫导楚啜浚嚣功率) ，敲哭藐爱浃换裁嚣发寡l 蒋性 的阻抗匹配部分。耐发射电压响应至少包禽了几个方_ i 丽的概念，即在每一频 率点上、一定电压下换能器吸收了多少电功率，在此频率下有多少电功率转 健戒声功率( 毫声效率) 荠在魏效率上发爨翡声功率又以骨么样驰搔蠢性聚 集声能，在一米处产生了多大的声压等等，故从发射电压响应的含义上它更 能反映换能器在带宽内的发射特性。接收灵敏度响应带宽则是反映换能器在 工终颤繁蠹接波稳斑鹣乎逛凄，傣现萁接睃瞧麓。 宽频带换能器及阵列无论在军用还是民用方面，均有着广泛的应用。声 自导鱼雷上运用的宽频阵，可以大幅度提高回波的信息量，利于目标识别、 参数话计帮东声霹获。国燕己磷裁鑫多频声每霉鱼藿；哥在多令鼗率点遂行 编码收发，克服老式单频声自导鱼雷由于高速水动干扰以及声诱饵干扰器的 影响，使命中率大大增加。有矛就有盾，在声诱饵和干扰器的研制上则需要 晗尔浜翻鼙大学硬二i 举德论文 比鱼霞自学声基阵具有更宽的工作频带巧能| “鱼”上钩。笄l 宽静合成i 0 轻 声纳进行水下目标探测，可以提商测绘速率，在一定程度上减小运动误差带 米的影响。作为离分辨率合成孔径声纳，匿然道过声阵的运动来扩大声基阵 的孔径，然而这霞阪褥高了运动方向於分辨率，一海为橙离( g 运动方海) 仍 需要宽带发射与接收响应获取足够信息，采用信号脉冲压缩技术浓提高横向 的分辨率。在水声小目标探测和嗣豫声缡中，为了提离分瓣力帮反映馨像蕨 量的软度级，对撩能器的带宽罐出了很高的要求，繇癸求尽可能媲增大带宽 等等。对予海底剖颡仪来说，烫是需要足够的带宽来满足不同地质的探测要 求，而融# 只能幂d 用多组换能秣暴鞯菝率缝补技术采实现。 1 2 宽带换能器种类及磷究发展方向 目静宽频带按辘器的静娄较参，分类方法也甭尽确阉。丈致露以蔽握扳 动模态和激助源数擞分为多模恋宽带换能器如纵弯捩能器、匹配屡宽带换能 器、柔顺麓换能嚣、遥辩层翻黍顺朦换能器、嗣环式羧髓嚣、x ，弹簧t o n p i t z 换链器、j a n u s h e l m h o l t z 复合涣麓器等；多激糖列最密囊多组激秘滚工作翔 由压电一稀土组成的h y b r i d ，、脏电压电组成的双激励源换能器以及多组压 电元件隈套等等，激励偶数禳期电路反馈换能嚣也是一静较新的震宽频带酶 方法。 纵弯换能器悬利用纵向振动和弯曲振动相结合的多模振动换能器，该换 能器其有结构筒革、频率低、震薰轻、尺寸小、设诗理论成熟、密翁制作等 特点。主要零j 胡薪盏扳浮薄、蠹强大蠢、秽锥寝藏在懿菠授上开攘瓣方法获褥 不同的弯曲频率，也可利用压电陶瓷和弹性材料横向收缩的不同来获取横梁 的弯曲攘动f 7 。”丸五”骺闯我们成功研翎愈台成孔径声缩垮的缀奄搂麓器， 成阵蜃褥剥电导晌碰瑟线3 d b 辩窕为9 ；0 k h z ( 7 。5 k h z 1 6 5 k f t z ) ，, 3 6 元簿憝 电压发射响应及接收响应为s 。“1 1 6 k l z ，s 。一7 + 4 k h z 。如果以单模q 二值 的定义计簿包| - 1 2 ，换能器电声效率n 4 0 ，3 6 元阵翁每茯源绞为1 8 6 。8 d b ， 实涮糯9 0 0 瓦电功率藓孝声添级达捌2 1 6 d b ，燕设计较为戒功熬一款数弯型复 合换能器。由予诚换能器弯姐频率受边界条件影响很大，咸阵届性能变化较 大且耐静水压能力i 毡不强，敖在深水工作f l 寸需要采取适当的压力 偿措施。 哈尔竣工程大学硪士学位论文 对缄振型或嘲管型换能器 “都可以莱用在辐射新粘贴珏配屡来拓宽带 宽，目前多数用在纵振平面辐射型换能器上。匹配层技术在换能器上的应用， 主要是通过产生双残多谐振寒拓宽工作频喾，曼一羹要作恶使按缝器辐射嚣 的阻抗弓水介质声阻抗透过隧配层进行适配，飙而有利于声能的传输。单遥 配层技术”“3 “o 中调节匹粥层特性声阻抗、厚度2 0 可以把带宽拓展到 倍频程以上，露虽响应也非常平逛，现单睡配层宽带换能器主要耀在中毫攒 和医捌8 超中。由于蹉配层避无源材料，声波在传播过程中必然存在能量损 耗，因此在满足带宽及响应平坦度的情况下尽量减小腰配层厚度。双或多匹 配层爨赞换能器主舞用在高频或甚高频。 圆环式换能器可通过减少蹙厚，适当选取径高眈鸯玎以音身辐射面大的特 性，q 。值可作的比较低。对于低频拼镶式圆环采用相同的方法以及减小无源 材料的特性声阻抗来增加工馋频带。如粟用几个不圊轰径的圜环丽轴叠龆， 这就褶警于凡个不同径向谐掇频率组合的复合模换麓嚣，它的q 。值可作到1 以下，但它的垂直指向性是不对称的，再通过适当选择圆环直径和径高比， 让内腔中窆即可 i 髑波腔的 爨攘产生第二蠖态裁能捶赛工作频带。不过它的 电导、发射与接收响应起伏较大，工作颓带不一定满足一般带宽的定义，即 产生所谓不连续的带宽，在工作带宽内的电压响应级起伏有可能大于1 0 d b 。 x 撵簧t o n p i l z 换g 器是一 f 单端滔察型换能嚣，它是在压电强环彤振 子激赫下通过x 弹篱将径向掇渤变换成垂鬣径向振动并放大振辐来推动活塞 振动口。该换能器的特征是利用x 弹簧将压电圆环振动体即作为活塞振动的 激励激又当 乍尾矮爨块，另一个特征是正交激融振动系统使褥纵摄换簏器醵 长度小于活塞的鸯径得到一个体积紧凑的换能器，且声负载与压电振动系统 有者很好的阻抗匹配。该换能器的带宽受低频段轴向谐振频率和商频段圆环 谐振频率的控制，撅动位移放大倍数与压魄圆柱环鲍半径及x 弹簧蛉斜率有 关，它的功率容量主要是低频爱到机械成力极限和电场极限的限制。该换能 器作为中低频宽带短尺寸换能器有一定使用前景。 j a n u s 。h e l m h o l t z 按鳇器楚j a n u s 换能嚣秘h e l m h o l t z 共摄器的维合。j a t m s 换能嚣即双端级撤换能器是利用级向糗能器原理实现双端对称辐射， h e l m h o l t z 麸振器是军0 用h e l m h o l t z 共振腔原理制成的低颁水声换能器。二者 瓣结合澎戒了j a n u s h e l m h o l t z 捩自2 器，它比j a n u s 换能器或h e t m h o l t z 共摄 哈匀 心神 m 黑，黜黔鼢i 。】j 醢扩。i 羚】l 【蠢。】7 【嚣。列l 雅jb 皴j ” 将广义位移向量取作结构位移向量 u ) 与压电体节点电位向擞 v ) 的组 合：广义质量阵与广义阻尼阵中以 o 】矩阵扩充，而广义刚度阵中加入机电耦 坠耋篓；耋些尘兰堡耋茎篁兰兰 台分量 明和介电翘阵分量 明，a n s y s 设计步骤流程如下： 图21 2a n s y s 设计步骤流程图 在t 冀l 有限元法避幸亍换躯器设诗及分析时，要注意豺精参数的选取及输a ， 尤其压电材料的极化方向涉及剜坐标系的变换。建模瘿根据工程需要确定网 格精度及模型简化程度，只有选择恰当的准物理模型，才能既保证求解精度， 又能大大挺裹计算遮度。毒用存限元法进褥潢渡分辑霹隧褥至基本爨，再遗 过数学处理可以得到所有换能器的参数，一般换能器有限元模型如图2 1 3 。 嚣2 。1 3 一般接能嚣毒疆元模型 坠玺鎏三堡奎茎窒圭兰堡篁兰 22 4 匹配层宽带换能器的数学模型 匹配层宽带换能器实际上就是在纵向换能器辐射面上粘结r 一层无源 材料，因此其数学模型也是以纵向换能器为基础，结合前几节对无源材 料结构件及压电陶瓷材料的模型分析，我们很容易得出匹配层宽带换能 器的等效电路，如图2 1 4 ： 其中 图2 1 4 匹配层宽带换能器等效电路 z 。后辐射阻抗； c o = p z s2 s 4 耐一静态电容； p 一陶瓷片数； 卜一陶瓷片总长； j 一陶瓷截面积； e 一介电常数； z 。= 1 j 葩。一静态电抗； p = p d 3 。s l s f f 3 一机电转换系数( d 3 ，纵向压电系数，j 要柔顺系数) z o = p p 。，一陶瓷的特性机械阻抗； z ：( ) = p 。c 。s ：( ) 一前盖板特性机械阻抗； z 。( ) = p h c 。t ( ) 一后盖板特性机械阻抗： 呈譬差；l ；堡奎茎鍪耋茎堡耋圣 z l = j z ot a l l k z 2 ，z 2 = z o s i n k t ； z 。一水负载； z。zz(h)f、乏zt(h)(f+i)uls，inkfff。h+cosklhj(f+1)sinkff。 f m ； 6 “1 一 、乏( )，f 。 和z d r k ) 面熹1 ) s i n k 。l h 与 考溉一s 硼+ 1 ； 6 “2 一 j ( f + 。f 。( f + 1 ) b 。 驴孕蒜丽； 玩。、乙：、乙，匹酉已层网络参数 国网络理论躲，t 鍪网络帮可敬霹其有疆个矩簿系数的一敖西端网络来 表示，这些网络都是链式连接，通过矩阵相乘，最后用一个四端网络来等效， 这样就可以求出该按能器的性参数，最届加上匹配层部分，得出完整的匹 配瑶鬣带换糍器的筒住撬毫潮络，孰丽计鼙匹配屠竟带换能器的各项电声性 能参数，其简易等效电路如图2 ，1 5 删弓简 | 燕| 一”哲 图2 1 5 匹配层宽带换能器反映阻抗及游效电路 耋尘鎏蠹堡垒茎薹耋誊耋鎏耋 2 3 区辩层宽带换麓器设计 2 3 。1 隧配层燕荣换能器一般设计 匪配层宽带换能器蛇设访主要依摧鲤玲之一波长理论，擞据翦l 甄，l 节对 匹配屡宽带换能器理论的分析，选择合适pe 值匹配屡材料，潺过敬变厚魔 来调熬两蜂间距及离低获得较宽的工作频带。首先通过仿真计算摸潦匹配懋 材料参数鼯密度謦嚣声速垃上及旺9 0 屡厚度黠按熊器电声性强影响的变纯翅律， 以便商嗣的地选择瓯隈层的最佳参数。为站我们针对菜一结构的换能器把匹 配屡兰个囱变量( 密艘、声速、厚度) 分别阐定二个前掇下，束改变第三个 自变爨，计算对换能器谐振频率、电导蛰宽嬲变化。速是大量瓣理论计算鹈 实验验诞我们得到的如下规律： 图2 1 6 换嚣电导随羁配蔗密度变化曲线 霜2 。1 7 按能嚣逄导睫疆醚屡声速燮亿藏线 竺垒鎏；! 塞奎耋鹜耋耋篓篁兰 嗣2 1 8 换g 器电导随匹配层j 莩度变亿曲线 出图2 1 6 、斟2 1 7 、国2 1 8 可知，羧能嚣电导曲线随匹配屡密度增加， 两峰问凹谷加深；匹配层厚度增加，则前峰降低，詹峰增高；峨配层声速增 大则秘蜂变高，鹾峰降低。遴过几年的摸索与研究并避萼亍了大量的试验测试， 对草嫒配层单个基元最佳西配屡选取以及蹑配层各参量改变对换能器性能变 化的规律己基本掌握，但在工程应用中发现仍有许多问题。比如说匹配层材 料一般具有离渗水性，长期浚承会导致墨酝层鞋糕姆 堡疆挠的变化，围对也 不耐海水的腐蚀，敞在实际艘掰时辨面都要包覆耐海水腐蚀的永密性材料， 这样一来就会破坏单匹配层原有参数的选取。实际上灌注一层聚氨酯材料相 当于糕贴第二层题躲层，露霓簌毒参数霉要重耘调整，如垦2 。1 9 。 赣竣。 惫4 囔“ 塑2 ，1 9 单匹醚层换能嚣瀵注聚氯聪带宽变他 咯尔演王程大学磺学位论文 磊配按宽带按能器嚣翦嚣翔在中裹霸，褥降低频率黪然要煺期菠配屡麓 厚度，这给能量传输带来的损失以及工艺上的实现都增加不少的困难，还商 待避一步酌研究。题黼瑶宽带捩箍器布簿使丽时，幽于活塞辐射随抗系数与 蠢值簿辍瓣藩太，l 、眷关，单个搽元与在簿主疆裁毽撬酌夔吴雾会锻琢单延鼯 层“最佳”参量的选取。不过在阵t 由于纂元间的互辎射作用，改变r 振元 翡总辐射黼抗，透过在互辐燕争下攀元疆挽酌测量，箕谮援频率弱显戆井高， 滋翳攀元辍燕孝萄上辐射抗静躐步掰造袋“袋佳”整配菇瓣失调，该鞫题弱撵 需要进步研讨。实际应用试验中，在掌握荩变化规律的前提下，洒过调节 匹i 0 绥参数以实铡魏效采取宠跹配薅麴参量，再对蕊有理论模裂述行修无。 接器与簿靛结秘彩戏及工艺露 萋，终为耨技术应翔到羧藐嚣及鏊簿熬磺究 中，应列为首要问题，换能器研制率溺就应突出工慧性的重要性，往往由于 工艺、结构的差器会酸环其实验鲍魏释性藏较本禧不到预期的终袋，本论文 豹磷究工终始终麓筑对换耱器王装熬酶究势终了不步勰探索。譬如稷配藩特 性参数如何变更，在考虑匹配层宽带换能器时如何优化纵向振子的设计，使 匹配蒙簿发变薄，带宽更宽驭及在单蕊配罄宽带换能嚣的基础上游一步拉宽 嫠宽。 2 3 2 溪配屡宠豢按麓搽饶纯捱：计 以往对于单一搬动模态单谐振的换能器，其带宽特性的定义耀用机械 缘馑c 寒夜示，q 。；l a f ( 只巍单诺攘额褰，鲈莛瞧导嫡瘟下隧3 d b 熬 频繁宽霾) 。爱等效集惑参数装魄毫薅霹游掇城繇壤写戚绫= 蒯。r ( 装 中为圆频率，r 为换能器的辐射阻，机械损耗阻和电损耗阻之和，而m 。为 换糍嚣静等效旗蠹 疋= 【 2 ( 曲蹦0 麓知；一般都凳戮辐射岙静寝戮速度“， 寨作为参考速度) 。缓襄显露荦一谐蓑i 换蕤嚣簧簿低繇壤获得燕频繁，器增 加r 阻值最好是增加辐射阻即增加辐射面积并减小等效质量m ，最有效的 办涪戆藏夸辐射头鹩溪量，蠲它豹平均撵遮接近”，。对予缀撰按糍嚣方霆对 单一谐箍 l 露富，鼹褥k 篷黪到3 裹老琶是鬻簧经过一蛰努力。囊予缴彝换黪 器的谐振频率与结构、元件的尺寸有关，同样的频率结构可以有所不同，那 么究竟仟么样静结构簸适宜耪站鹣l 寝程。蹑配瑶缎囱挨麓器翡鑫势q 。谴犬 晗尔演王程大学硪： ：学盈论文 小对器醚屡静po 及露厚究竞有多大影响，为验蟊薹这一点，设计三个谮弦颧 率均在2 0 k h z 左右的纵向换能器如图2 2 0 ，其前盏板厚度分别为1 8 m m 1 2 m m 和6 r a m ，榴应岳盏板魂进行酒整，捌罔a n s y s 计算蕊空气及水中等缡曲线写 实测臻聚避雩亍毙较。 圈2 。2 0 器配整赛繁捺髓器 根攒照配层宽带抉能器卿分之一波长设计理论，出题配层材料的声速段 工 笮频率可募褥嚣醚艨豹簿嶷为2 5 m m ，考纛测试时豢灌注聚氨翡跨永毖，修 正蓐痰为2 7 ：m ，旗魅惩瑟层最麓瑷，不耀裁蕊扳款按裁嚣最佳舞嚣瀑躲孽发 也不尽相间。盖板越薄，匹配层的厚度同样小，经过初步调整盾，前后峰的 嘉麈鏊零致。翁羲援1 8 r r c n 簿豹挨糍嚣嚣簿漓匏圈谷鬟深，6 撵静按巯爨 秘谷疆浚，有效繁宽矮宽，鸯然委0 篷毯最小。毽燕豳予蘸扳交薄，弯魏频率 降低。薄漩板换熊器在高频段又出现一谐振燎，估计为换能器裁盏授弯曲掇 动产生。 图2 2 1 理论计算空气中导纳曲线( 厚度1 8 r a m ) 咯尔演。t 程又学碗u 士学短论文 u ”i i f 厂 一 4 # 戢 r 阁2 2 2 实测空气中导纳酾线( 厚度1 8 r a m ) 图2 2 3 璎论计算水中导纳曲线( 厚度1 8 r a m ) 图2 2 4 实测水中电导曲线( 厚度1 8 r m n ) 撼22 5 理论计簿空气中萼纳曲线( 簿魔t 2 m m ) 鎏玺鎏耋；垒查耋篓耋：茎篓鎏圣 -。 ”。 旷 一 “： 图2 2 6 实测空气中导皴髓线( 簿度1 2 r l f 1 ) 图2 2 7 理论计算水中导纳曲线( 厚度1 2 r m ) 熙2 。2 8 实测水中电导鲢线( 厚度1 2 哪) 图2 2 9 理论计簿空气中导纳曲线( 厚度6 m m ) 啥尔滚= 程大学硕士学位论文 口m e i j蕊。 1 。 r 一 ”“f 翮2 3 0 实测空气中导缡精线( 厚液6 m m ) 圈2 3 1 理论计算水中导纳曲线( 厚度6 r a m ) 蠲2 3 2 蜜溺承孛电警蘸线 浮爱6 m a n ) 从以上理论计算及试验结粜来看，纵向按能器自身纯值的大小会影响最 佳匹配鼷瓣参数及繁宽拓展效暴。对于谐攘频辜耀曩媳缴r h 抉能嚣来说，较 薄的前盏板粘赔匹配层后，电译响应曲线的平坦度要好于盖板厚的。因此在 设计匹配层宽带换能器时，在条件允许前提下应尽量减小换能器前盖板的质 量( 翦蕊扳等效厦量) ，增大辐射露尺寸来蠖船辐菇阻，这撵会使蛙配层的效 果更好，但同时要考虑前盖板变薄对弯曲频率的影响。对于金属嘲盘形前盖 板我们必须考虑它的弯曲振动频率，为了使其不影响匹配层及纵搬频率，我 翻在减簿翦盖扳的弼时一定要考虑把翦盖掇蛉弯蕴频率设计在匹g t 屡接能器 篁玺鎏三垄奎兰堡圭兰堡尘兰 的第二个谐振频率的1 ，5 倍以上。对于图2 3 3 的圆锥活塞( 前盖板) 在 ( ，+ h ：) 0 5 a 的条件下其弯曲谐振频率可用( 26 2 ) 式近似表示 2 4 本章小结 ，一h g ( h 1 + 吃) o ，一百面 h = 36 d 啦去；高一2 ： ：+ 善( 1 + ( ，口) + ( ，a ) ，) j 图2 3 3 圆锥活塞 h ， h ， ( 26 2 ) ( 26 3 ) ( 26 4 ) ( 2 6 5 ) 本章主要分成两大部分，首先是利用四端网络法从换能器一维弹性振动 理论出发，把各振动部件都看作连续介质，分别建立它们的一维弹性振动方 程，并解得各个振动部件的速度和应力分布，再由边界条件求得待定系数。 最后等效为一端为电端，另端为机械端的四端网络，由网络方程可求解设 计所需的性能参数。同时又介绍一下利用有限元法建立换能器模型及求解方 法。本章重点部分是在分析清楚匹配层宽带换能器数学模型的基础上，通过 理论计算及试验验证，得出匹配层宽带换能器性能随匹配层参数( 密度、声 速、厚度) 变化的规律。按照此规律进行设计可以得到较好的匹配层宽带换 能器，但在实际工作中发现所谓“最佳”参数会随着灌注防水层以及布阵有 所改变，因此需要进一步调整。同时在设计中发现纵向换能器自身鲰值会影 哈尔滨_ 二崔大学硕士学位论文 晌匹配艨的参数，在不引入盖税弯曲振动晌前提下，适当减薄蓣投，降低q ， 会使响应更加平坦。 竺玺鋈三堡奎兰堡圭耋堡丝圣 第3 章匹配层加柔顺层技术 在掌握了单匹配层宽带换能器拓展带宽的规律后，研究人员开始摸索双 或多匹配层技术。由于第二、第三乃至粘贴更多匹配层会使整个匹配层的厚 度增加，增大传输损耗，同时选取适当的pc 值的多匹配层材料有一定困难。 按照理论计算及国外相关资料介绍，目前多匹配层主要用在超声换能器中， 而且只能在原有单匹配层基础上增加1 0 的频带宽度，由此看来，需要另辟 蹊径寻找更好的方法来拓展带宽，单匹配层加柔顺层换能器则成为研究对象。 3 1 柔顺层技术 首先介绍一下柔顺层换能器，它也是在纵向振动t o n p i l z 换能器的基础 上改进而来，就是在普通t o n p i l z 换能器前盖板与陶瓷堆之间增加了一段中 间质量块和一片柔性膜片即柔顺层材料，结构示意图如图3 1 图3 1 柔顺层换能器示意图 图3 2 柔顺层换能器等效电路 按照传输线法我们可以得到柔顺层换能器的等效电路，可以通过调整柔 顺层的厚度、等效截面积以及结构件来获得响应比较平坦的双谐振宽频带换 能器。虽然柔顺层换能器的性能还不一定达到最佳，但对我们研究压电双激 哈尔滨工程人学硕k 学位论文 励源和h y b r i d 换能器能够提供一些技术支持。其实我们还可以用其它方法在 柔顺层换能器的基础上获得三谐振宽频带换能器，即使用当今国内比较热门 的匹配层宽频带技术。我们在柔顺层换能器的辐射面上贴一层匹配层材料就 可以实现三谐振宽频带换能器，但要得到比较好的响应曲线不仅仅是贴一层 匹配层那么简单，本章我们就匹配层加柔顺层换能器展宽带宽规律作些简单 的探讨，以期为类似的多谐振宽频带换能器的实现做一些技术储备。 3 2 匹配层加柔顺层技术 所谓匹配层加柔顺层换能器就是在柔顺层双谐振换能器辐射面上贴一层 合适的匹配层即可使原有双谐振换能器增加一个谐振点形成三谐振宽频带换 能器( 如图3 3 和3 4 ) 。那么换能器如何设计才能形成三个谐振点? 怎样调 整匹配层参数以及柔顺层参数才能使三个谐振峰所构成的频带连续起到拓宽 频带的作用? 同样如何调整三个谐振点之间的耦合度使频带宽度达到最佳? 匹配层加柔顺层三谐振换能器是在柔顺层双谐振换能器的基础上增加了层 匹配层，那么换能器电声性能与匹配层和柔顺层的关系如何? 因此我们有必 要先从匹配层加柔顺层换能器的等效电路开始分析。 图3 3 匹配层加柔顺层换能器图3 4 发射电压响应 对于匹配层加柔顺层换能器我们还是用四端网络法对其进行理论分析， 我们首先分析匹配层加柔顺层换能器的等效电路，根据第二章有源和无源材 料的等效网络，每个网络之间是链式连接，通过矩阵相乘最后可以把匹配层 哈尔滨”f 程大学硕士学位论文 加柔顺瀑换能器等效为一端为电端，一端为祝械端的龋端网络。加上辐射阻 抗就可计算出换能瓣的全部电声性能参数。图3 5 所示结构的匹配层加柔顺 层按能器其等效电路如图3 6 掰示。 一 图3 5 匹配层加柔顺层换能器的结构示意图 出匿一 其中 图3 6 匹配层加柔顺层换能器的等效电路 b 。= j z 。s i n k 。l 。 q 。，燮。 z “ 其它表达式予缴离换器表达式援固。 3 2 1 匹配层参数对匹配艨加柔顺层换能器性能的影响 我们从单匹配屡宽带换能器的研究中知道单匹配鼷是通过三个自变量即 声速、密度和层厚来调整换能器的性能参数，三个自变最同时都起作用。为 了讨论阀逛方便我们一般先固定其中两个变量求第三个变量鲍最佳蕊，对于 匹配层加柔顺层换麓器我们还怒运用上述的方法来研究，先讨论强配层材料 参数对冀性能的影响，通过调熬参数获得了比较好的匹配层宽带拽能器，再 在该换畿器蛇基硝上增妇柔顺艨；瞧可以在摸清柔顺葳材辩掘展带宽觏律的 哈尔浜工程大学硕士学位论文 前提下，再贴匹9 0 层，最终绦证匹配层和柔顺层的六个参数达到最佳值。翻 3 7 为理论计算匹配层层厚由薄变厚情况下电导变化规律：图3 8 为理论计 算屯警随匹配屡声速盎小变大熬舰律；爨3 。9 为理论计冀电导隧蹑醚层密艘 由小变丈情况下的蕊律。通道理论计算可以看出随着瞧配层声速的增加第一“、 第二和第三谐振频率均升高，籀一峰峰值升高，第二= 峰峰值先降低然后升高， 当匹g 层层厚增大捌一定厚度糖第二峰峰 蠹是嚣高，筵三峰峰氆逐渐降低隧 鄯消失，变成双谐振。这说甥其它参数不变时匹配痿声速可阻用来调整电罾 峰值的高低，也即可以调整响虚的平坦度。随着匹配层密度的增加第一谐振 频空降低，电导谯舞裹；第二谐振频率升莲，电导馕舞裹；第三谶振频率舞 高，电轷值降低。 图3 ，7 理论计算电导随趿配层层厚变化规律 网3 8 理论计算电等随匹配层声速变化规律 鎏玺釜兰矍釜兰篓耋耋篷垄奎 瞄3 。9 理论计辫毫导随隧鳃层密度变化规律 觚以上分析可知，如果只改变匹配滕的物理参数( 密度、声遵羊f j 屡厚) ， 我们缀难获得性能比较好的匹聪熙擞柔顺屡三谐振宽频繁换能器。这淹嚷一 个性熊较好韵柔顾层双谐振换链器只通道调整匹目b 层参数不一定能获得性能 较好的匹配层加柔顺滕三谐振宽频带换能器，它还与柔顺屡、中闻耀景块和 蘸盖投蠢关，所以我么必须综合考虑匹醮屡、梁踬层、中闯质量块秘蒋盖援 各个零件怼该换髓嚣性能的影响。上述存在的主要闯题是：中惩蜂蜂憾太赢， 第一和第兰峰峰值过低，另外第和第二晦凹谷比较深，这都宣接澎响到响 应蛇平蠼发，从这曼啦可以看燃该类型换嚣遥合熙比较薄的嘲瓷片。我们 知道题配爱加柔颗层三谐振换自器的第一港掇频率由尾睽攘块、中心震量块、 柔顺层、头质量块以及瓯配层蒋成一个集总质爨块与陶瓷堆产生谐振的结果； 第三个 黪摄点是把黍颇屡、头辩魔羼块以段蹬粥层看成个集总腹鳖块与中 心质量蚨谐振的缝果；第二个谐搬点是出匹配熙产生。如累知道了产生谐攮 点的控制部件，我们就可以根据实际情况调整相应的鄱件。因此阻后的研究 重点是调整这三个峰峰馕的 e 铡关器以及港振点相互之阉戆耦会魔。 3 2 2 柔顺层参数辩匹配穗加柔顺瓣换熊器悭能的影晌 从上节讨论可知，只改变暖配瀑的物理参数很难获得性能较好酶三谐振 宽频带换能器，我霄j 还必须反过柬滴整柔顺箧或者中间质鬣块。现在来讨论 梁顺愚簿艘改变时对宽频带换s 嚣电导照线的变化。图3 。1 0 和圈3 ，1 1 分别 堕查鎏三堡奎茎堡圭兰堡篁兰 表示柔顺层厚度逐渐加厚为t l 、t 2 ，匹配层层厚从h i h 2 时电导曲线的立体 图 图3 1 0 柔顺层厚度为t 1 ，匹配层厚在h l h 2 变化时换能器的电导曲线图 图3 1 1 柔顺层厚度为t 2 ，匹配层厚在h l h 2 变化时换能器的电导曲线图 从以上理论计算和实测值可知，在同一匹配层层厚的条件下，随着柔顺 层厚度的减小，电导曲线的第一峰峰值升高，第二峰峰值降低；当匹配层较 薄时理论计算有可能不会出现第三个谐振点，在出现第三个谐振点的条件下 其峰值降低。根据理论计算和实测规律，柔顺层的厚薄可以很好的调节电导 曲线中第一和第二峰峰值的高低、响应的平坦度以及带宽的连续性。但在测 量发射电压响应时我们发现：柔顺层较薄时影响到功率的施加，当激励电压 加到一定值时柔顺层有可能产生非线性振动使输出波形产生畸变，从而影响 到换能器在大功率下的使用情况。因此，在调整换能器电导曲线峰值、响应 的平坦度以及带宽的连续性时柔顺层不能选得太薄，以防大功率下造成功率 非线性。 4 0 堕玺篓三堡奎兰玺耋茎堡鎏兰 3 3 聪配层加鬃顺层换能器设计及测试 遴遭对匿配罄鸯瑟柔糇垂换楚器墨参数彝冬理论舌 冀及分辑结鬟，设计按能 器并装配成七元阵进行导纳、发射电压响应及接收灵镦度响应测试。 3 。3 。 肇令匹配瀑翅柔蹶鼹挨袭器的测试 图3 1 2 单个匹配层加柔顺层换能器 图3 1 3 单个随配层加柔顺鼷换能器的电导曲线 蜜3 。l 擎个匹懿臻女l 柔蹶蔗换自器黪发赛重电压噙波 墼查鎏耋型奎兰璧：i 茎篁兰兰 图3 1 5 单个匹配屡加柔顺层换能器的接收灵敏度响应 扶实测结果米爨三组曲线实骢了宽繁键起茯较大，还需避一步溺整各参 数。圈中发射电压响应曲线从1 3 4 0 k h z 的响应起伏为7 4 d b ，如果能适当 抬高第三个谐振点的响应级那么该换能器电压响应会变得更加平坦，而且带 宽会更宽。图中接收灵敏度响疲蝰线从1 4 3 3 k h z 的响应起伏为4 3 d b ，可 见在遮个频段内菠收灵敏度响斑还是比较平坦的，两髓带宽比较宽。通过以 上分析可知，增加一层合适的贩配层后柔顺层振换能器的带宽有所增加。 从国岁 资料柬露匹配层热粱顺层换娆嚣有体积小、带宽宽、响应相对平 坦的特点，所以该换能器有狠好的应用前景。本章节只是简单的j i i | 纳了一些 匹配层加柔顺层三谐振宽频带换能器拓宽频带的规律，要使该换能器性能达 最佳，我们还必须l 乍更深入的研究，毖如如霹选取合适柔顺层誊毒糕酷及中 间质量波等问题。翮时在以后工作中将柔颥层双谐振或匹配层加柔顺层- _ - - 谐 振换能器研究结果用于有类似结构形式和工作原理的换能器进行研究，例如： 双激麟源压电晦瓷挟自器、h y b r i d 按能器等等。 3 3 2 七元阵列设计及测试 由于中高频挨能器一般都鼹布薄使胡，为测试戚薄厢换能器静性能，选 取七只测试较好的熙配层加柔顺层换能器并联成阵进行阵列的测试。七元阵 的布阵零意图如图3 。1 6 所示，考虑匹配层枣毒料喂隶的特性，在辐射藤灌注一 层聚氨酯来防水，测试换能器阵列的电导、发射电压响应、接收瑟敏度响应 以及功率线性等声学参数并对数据进行分析。 坠篓鋈三堡奎耋篓耋耋堡丝兰 墅3 ，1 6 七元黪列实匏匿 4 ( 处。 1 # 黼a $ l ” 巍 y日 1 6 1 4 1 2 1 0 羔8 口6 4 2 图3 1 7 七元阵列并联空气中导纳曲线 | |a i 川 i斧yi 7 、 l i 、 01 52 02 53 0髂0 f k 疗 图3 1 8 七元阵列并联水中电导曲线 坠尘鋈老堡奎茎璧耋茎篓篁奎 。毒么土：了羚 八| ，7 ， 一一一。卜i l 一 r _ _ 一一t 1 一1 一十一一 上j卜 一1 7 5 o 18 00 一1 8 5 ，0 3 一】9 00 1 9 50 2 0 6 2 i ) g 2 0 4 2 0 3 曼。瓣 2 0 l 2 0 0 1 9 9 图3 1 9 七元阵列的发射电压响应 系二7 | | 卜、 ； f 一 00 01 5 2 0 2 5 0 0 3 5 0 0 4 0 秘 r k f f z 图3 2 0 七元阵列的接收灵敏度响应 庠露髯_ fj f 一 | ，刁7 1 j l p ( d b ) 图3 2 1 七元阵列功率线性 扶藩列静电导魏线、发龛| 媳箍桶应秘搂救灵敏凄嫡褒来看，垮列蕊繁宽 比单个换能器的带宽有所增加，这主要是出于密排阵列在我们分析的频段内， 各基元之间的互辐射的作用使换能器的谐振频率有所下降。不周位嚣换能器 啥尔演一 ：程大学硕士学位论文 受到的甄辐射作用不同，所以备基元谐振举变化也不棚同，总的来说中问基 元的谐振频率f 降嬲多一点，边上基元f 降会少一点。由于各换能器谐振频 率蛉羞髯造成换能嚣戏蓐垂频繁毙錾个换熊嚣要宽。从理论上来谫囊手残阵 后换能器互辐射澎响以及基元的一致性差抖使得成阵后性能比单个换能器性 能要好，但实际看来实测的响应的起伏比单个还大。遮主要由于在测量单个 换能器嗡瘟时辐射蠢没有灌注凝氨酯藏瘩鼷，丽成阵蜃为东密在籀魁匿灌注 了5 m m 的聚氨酯防水层。从匹醚层理论来说相当于增加了一层薄薄的匹配层， 它改变了“最佳”参数设计，在这种情况下只要适当增加柔顺层的厚度该阵 牲能就照褥 三 改善。放实测宅嚣麴线可以餐氆，第二谐摄点静电导蘧太裹， 导致第一和第二谐振点之间的频带不连续。在没灌注聚氨酯之前测虽第一和 第二谐振点的电导慎相差不多，灌注后聚氨酯相当于第_ 二层匹配艨破坏了匹 痿原蠢媳参数，产生了频带不连续，努要进步改蛰响应必须重糍谖整匹 配层的尺寸。从功率线性曲线来看没有出现大功率下菲线性失真闯题。 3 。4 零塞小结 本章主要分析了在匹配层宽带换能器的基础上加黎顺层的情况，重点分 板了匹醚层的层厚变化鞋及柔顺屡厚度变化对换l 器凝带的影响。对予一个 性能较好豹匹配层加柔顺层换熊器来说必须通过分别调整匹配层鞠柔顺层的 三个物理参数( 密度、声速和层厚) 来实现，此外还与中间质量块和其它参 数毒关，露北设计难度较大。邋过分橇我们可良腻定瞧角度褥出如下结论： ( 1 ) 冀窀参数不变，随着匹配朦层厚的增加换能器第一、第二和第三谐振频 率降低，第一峰峰值降低，第= 峰峰值升搿，第三峰峰值变化不大。 ( 2 ) 其它参数不变，睫羞匹配鼷声速的增加换缝器第一、第二和第三谐振频 率均升高，第一峰峰值升高，第二峰蜂值先降低然后升高，当匹配层层厚增 大到一定厚度时第二二峰峰值是升高，第三峰峰值逐渐降低随即消失。 ( 3 ) 其它参数不变，陵羞匹配鼷密度魄增嬲挨能嚣第一谐振频率跨低，电导 值升高：第二谐振频率升高，电挣值丹高；第三谐振频率升高，电鼯值降低。 ( 4 ) 在同一匹配层层厚的条件下，随着柔顺层厚度的减小，电导曲线的第一 蜂峰健势嘉，第二峰峰僮降低，当出理第三令谐振点时奘峰值降低。 哈尔滨工程火学硕士学位论文 按照以上理论分析，制作七只换能器进行单元测试并组装成阵。从测试 结果来看，匹配层加柔顺层换能器确实可以拓展带宽，两部分无源材料会影 响换能器的电声效率，同时为了频带内响应平坦，柔顺层部分较薄会造成大 信号下功率非线性，以及换能器与发射机的阻抗匹配好坏等等，这些问题必 须得到很好的解决才能确保匹配层加柔顺层换能器真正进入工程应用阶段。 堕查鎏三堡奎兰竺圭耋堡墼圣 第4 章匹配层宽带换能器及阵列的工程应用 4 1 超宽频海底剖面仪用匹配层宽带换能器 4 11 匹配层宽带换能器设计 国家8 6 3 课题海洋资源开发技术主题“超宽频海底剖面仪”研制的是 种能在深水下工作且具有较高分辨率以及一定地层穿透深度的高性能剖面 仪，其工作频带为7 0 0 h z 3 0 k h z 。如此宽的工作频带一种换能器很难单独实 现，课题采用频率缝补技术，由多种换能器进行组合完成整个工作频段，高 频段1 5 k h z 3 0 k h z 由宽带匹配层宽带换能器来承担。作为深水使用的换能 器，承受高静水压力并能在此压力保证正常的声学性能，换能器的结构设计 及匹配层的粘接工艺是关键，为此我们考虑了多方案比较，根据试验结果择 优选择，其结构形式如下图所示。 图4 1 高频段匹配层宽带换能器图4 2 九元阵 该种换能器每瓦源级大于1 7 2 d b ，基元换能器的发射电压响应级为1 4 6 d b 以上( 如图4 3 所示) 。基阵由3 3 元构成，每个基元独立水密，如上图4 2 ， 其每瓦发射声源级为1 8 4 d b ，在5 0 0 w 电功率下，基阵总声源级为2 1 0 d b 。基 阵在1 5 k h z 和3 0 k h z 的辐射声场分布和指向性如图4 4 和图4 5 所示。 彗垒鋈占垒奎兰堡圭兰堡篁圣 图4 3 单个换能器的发送电压响应 图4 4 换能器基阵在1 5 k h z 时的声场和指向性 图4 5 换能器基阵在3 0 k h z 时的声场和指向性 鍪釜鋈；耋冀查耋鎏耋薹篁鎏塞 4 2 蕊配震竟带挨髓器箍曹压测试 由于趣宽颓海底铷面靛的濯端系统需婺在深水工作，匿此对于匹配屡赛 带换能嚣丽言，不仅结构帮涎黼屡要能耐较高静静水压力，同对述要确保在 此压力下换能器的声学性能。“十五”期问，七一五所幽防水声级计量站建 设的l o m p a 高瑶消声永罐是酹翦国内静水援力最大的声学澳i 试装鼹，利用该 装置对浚诗静莲配联竟带换缝瓣避彳亍测试，对晓不闻瞧力下电露裁缝、电压 发射q m 成及接收灵敏度响应的变化。 匿 女 图4 ，6 离蕊消声水罐( 1 0 m p a ) 。$ #$ 5 鐾“o 。j t4 强4 。7 电燕发送桶应随静求压力酌变讫 。卜一 - | 。 。，j _ 一 卜卜扣 r|】l 1 一r 一一r r 下一1 一一 卡卡一一一f f “一 圈