（水声工程专业论文）超磁致伸缩复合棒换能器研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fm o d e ms o n a rt e c h n o l o g i e sa n do c e a nt e c h n o l o g i e s ，i ti s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fu n d e r w a t e r a c o u s t i c t r a n s d u c e r sa n d a r r a y s t h u s ，t h eb r o a db a n d w i d t h ，h i g hp o w e ra n ds m a l l d i m e n s i o nt r a n s d u c e rb e c o m et h ep i 面吻巧c a n d i d a t ea n da l s ob e c o m et h ep r i m a r y a s p e c to fr e s e a r c hb yt r a n s d u c e ri n v e s t i g a t o r s ag i a n tm a g n e t o s t r i c t i v et o n p i l z t r a n s d u c e ri sd e s i g n e di no r d e rt od e v e l o pat r a n s d u c e rw i t ht h o s eq u a l i t i e si nt h i s t h e s i s a c c o r d i n g t o t h e o r ya b o u tp i e z o e l e c t r i co ff i n i t e - e l e m e n tm e t h o d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np i e z o e l e c t r i ca n a l y s i sa n dm a g n e t o e l e c t r i ca n a l y s i si sf i g u r e d w h i c hc a l la p p l yf o rt h em a g n e t o s t r i c t i v ei r a n s d u c e r t h em a g n e t i cc i r c u i t o p t i m i z a t i o n w o r ki sc a r r i e do u tf o rr a r e e a r t ht r a n s d u c e r u s i n gg i a n t m a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i c i n d u c t i o ni n t e n s i t y ，w h i c ha c t sa st h em a j o rp a r a m e t e rt od e s c r i b et h ee f f i c i e n c yo f t h eu s eo fm a g n e t i ce n e r g y ，a n dt h es 咖c t u r eo fm a g n e t i cc i r c u i ti ss t u d i e da n d o n ek i n do fa d v a n c e dm a g n e t i cc i r c u i tc o n f i g u r a t i o ni sp r o p o s e d t h e n ，t h eb r o a d b a n d w i d t hi sa c h i e v e db yc o u p l i n gb e t w e e nl o n g i t u d i n a l v i b r a t i n gm o d eo f t r a n s d u c e ra n df l e x u r a lv i b r a t i n gm o d eo fh e a di nt h ec o u p l i n g - f i e l da n a l y s i so f f e m a tl a s t , t h et r a n s m i tc u r r e n tr e s o n a n c e ，r e s i s t a n c ea n db e a mp a t t e r n so f t r a n s d u c e ra r ea c h i e v e db ya n s y s t h e nt h ep r o t o t y p eo ft h eg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v et o n p i l zt r a n s d u c e ri s f a b r i c a t e da c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n so fo p t i m i z a t i o na n a l y s i s t h ei n - w a t e r m e a s u r e dr e s u l t si n d i c a t eam e c h a n i c a lqo f1 6 ，am a x i m u ms o u r c el e v e lo f 2 0 1 d br el u p a ma t1a m p sa cd r i v ea n db a n d w i d t ho f6 2 k h zt oi1 8 k h z 1 5 d b k e yw o r d s ：m a g n e t o s t r i c t i v e ；m u l t i p l e - m o d e c o u p l i n g ；f e m 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： ) 夕铭1 年弓月fy 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 i _ r i i r , im i 第1 章绪论 1 1 水声换能器的发展方向 1 1 1 引言 声纳由换能器阵和电子设备组成，换能器技术的发展往往推动着声纳技 术的发展。战后随着潜艇隐身技术的发展，尤其是随着安静型潜艇的出现， 反潜的手段也由最初的被动监听变为主动探测。为提高主动声纳对远距离、 深水、低噪声目标的探测能力，换能器技术必须向低频、大功率和深水工作 等方面发展。同时，水声技术在军事方面的应用也转向民用，声纳技术广泛 应用于海洋声学、海洋地质学、海洋矿物资源探测等领域。声纳技术在民用 领域应用的扩展，在促进了人们对海洋声传播的规律迸一步了解的同时，也 对声纳设备提出了越来越高的指标要求，促进着声纳技术不断向着低频大功 率的方向发展。 1 1 2 水声换能器概述 水声换能器是实现电声能量互换的器件u 1 。当它处于发射状态时，它把 电磁振荡能转换成机械振动能，从而推动水介质进行振动，辐射声能；当它 处于接收状态时，它的机械振动系统受到水中声压的作用而产生振动，换能 器再把机械振动能转换成电磁振荡的能量。 根据工作状态的不同，将换能器分为两类：一类称为发射器，即把电磁 能转换成声能的换能器；另一类称为接收器，或称水听器，即把声能转换为 电磁能的换能器。 根据能量转换的不同途径和物理效应与物质结构的不同，可将换能器分 为下列若干类型： 具有磁场性的换能器：1 电动式换能器 2 电磁式换能器 3 磁致伸缩式换能器 4 超导电式换能器 具有电场性的换能器：1 电容式换能器 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 2 压电单晶换能器 3 压电陶瓷换能器 4 高分子压电换能器 5 铁电反铁电相变换能器 水声换能器技术是_ t , - j 多学科、多专业交叉的综合技术，具有很强的理 论性与实践性，其发展动力主要来源于现代军事需求的强大推动及科学技术 的整体进步。 1 1 3 换能器新材料 材料研究是水声换能器研究的基础，水声换能器的发展是和材料科学的 进展密切相关的，水声换能器技术的突破根本上取决于功能材料的技术突破。 水声换能器上使用的材料有两种：一种是可以实现能量转换的功能材料，称 为有源材料，它们是换能器的主要部件，直接影响换能器的工作性能，如工 作频率高低、发射功率强弱等；另一种是用来控制或保障有源部件功能的结 构材料，称为无源材料，属于辅助器件，其性能好坏亦影响到水声换能器的 技术指标。努力提高现有材料的性能并加强对新材料的探索，是改进换能器 性能的重要途径之一。 水声换能器常用的有源材料主要分为两大类闭：压电材料和磁致伸缩材 料。磁致伸缩换能器是最早使用的水声换能器类型之一，传统的磁致伸缩材 料包括金属磁致伸缩材料和铁氧体磁致伸缩材料。它们具有经久耐用、稳定 可靠等优点，但是由于能量密度小、效率低及要求工作偏磁场等带来的不便， 逐渐被压电材料所取代。压电材料的代表是压电陶瓷，由于它具有较高的机 电耦合系数、较低的介电损失以及易于成形等优点，目前仍是水声换能器中 常用的有源材料，其中应用最多的是锆钛酸铅( p z t ) 系压电陶瓷材料。为 了进一步提高性能、扩大使用范围，近些年来，以压电陶瓷与聚合物构成的 压电复合材料逐渐成为新的研究热点。纳米技术兴起之后，又出现了纳米复 合压电陶瓷材料及其应用的相关报道。这些新材料发展迅速，取得了显著的 成果。然而，在寻找新型有源材料方面，真正具有革命意义的还是稀土超磁 致伸缩材料与弛豫铁电单晶等新型有源材料的发现及其突破性进展。 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 3 1 稀土超磁致伸缩材料 磁性体在磁场中磁化时，会沿着磁化方向发生微量的伸长或缩短，这一 现象称为磁致伸缩现象。如果磁性体在磁化方向的长度增大，则称为正磁致 伸缩；反之，称为负磁致伸缩。从外部对磁性体施加压力，则磁性体的磁化 状态会发生变化，这种现象称为逆磁致伸缩现象( 也称维拉利效应) 。早在 1 8 4 2 年，j o u l e 就发现了镍的磁致伸缩现象。由于其应变小( 1 0 _ 6 口1 0 5 ) ， 与热膨胀系数差不多，因而使用范围局限于超声换能器方面。 本世纪6 0 年代初，l e g v o i d 、c l a r k 、r h y n e 等发现稀土金属具有异常的 磁性，特别是重稀土元素t b 和d y 在4 2 k 的低温下显示出巨大的磁致伸缩 效应( 磁致伸缩系数达8 x 1 0 - 3 ) ，这种现象被称为超磁致伸缩现象。可惜该 现象只在极低的温度下才存在，因而无法在室温下使用。6 0 年代末到7 0 年 代初，美国水面武器研究中心的a e c l a r k 博士发现具有立方莱夫斯( l a v e s ) 相结构的二元稀土铁合金在室温下也表现出很大的磁致伸缩值。但是这种二 元稀土铁合金的磁晶各向异性能很大，需加很大的磁场才能获得较大的磁致 伸缩，这很不利于材料的实用化。1 9 7 2 年，c l a r k 等提出用磁致伸缩符号相 同而磁晶各向符号相反的r f e 和r f e 组成补偿性赝二元化合物( 式中r ，尺分 别为不同的稀土元素) ，以求保持材料有较大的磁致伸缩值，同时又降低其磁 晶各向异性，从而大大提高了超磁致伸缩材料的实用性网。1 9 7 4 年，开发成 功了在常温下显示巨大磁致伸缩值而各向异性常数k 近乎为零的三元稀土合 金材料t b d y f e ，并将其推广使用。 从7 0 年代中期开始，各国学者在研究材料成分对磁致伸缩影响的同时， 也展开了对超磁致伸缩材料制备工艺的研究，以加速其实用化、产品化。超 磁致伸缩材料于1 9 8 7 年实现了商品化生产，典型成分为乃。嘞一。心一，。式中： x 表示乃d y 之比，y 表示r 凡之比，工一般为0 2 7 , , - 0 3 5 ，y 为0 1 0 0 5 。 典型商品牌号有t e r f e n 0 1 d ( 美国的e d g et e c h n o l o g i e s 公司) 代表成分为 砜刀b y 0 ，如。除了美国和瑞典，日本住友轻金属工业株式会社、日本东 芝公司、英国稀土制品公司( r e p ) 也能够进行规模生产。 我国作为稀土资源大国，开展这方面研究比较晚，但进展较为迅速。北 京科技大学、北京有色金属研究总院、冶金部钢铁研究总院、包头稀土研究 3 哈尔滨下程大学硕士学位论文 i i i 皇一n p n nmin ；i 暑暑嗣暑昌置暑薯；i 所、中科院物理所、中科院上海冶金研究所和辽宁新城稀土压磁材料有限公 司等单位都在从事该材料研究，其主要性能指标都已接近或达到国际同类产 品的先进水平一1 。 与压电材料( p z t ) 及传统的磁致伸缩材料n i 、c o 等相比，超磁致伸缩 材料具有独特的性能垆搠：室温下的磁致伸缩应变值很大( 1 5 0 0 2 0 0 0 p p m ) ， 是镍的4 0 5 0 倍，压电陶瓷的5 8 倍；能量密度高( 1 4 0 0 0 - 2 5 0 0 0 j m 3 ) ，是 镍的4 0 0 5 0 0 倍，是压电陶瓷的1 0 一1 4 倍；机磁( 电) 耦合系数大，这使其 称为实现电一磁一机械能量转换的优异的功能材料；响应速度快( 达到p s 级) ，利用这一特性，既可以用作机械功率源如声发射源，也可以用作力传感 器如声接收器。磁致伸缩变形的线性范围大。这有利于磁致伸缩量的准确控 制，可用于精密磨床给进和阀门控制p 1 ：输出力大( 可达2 2 0 8 8 0 n ) ，在外 加预应力时，在低磁场下材料的磁致伸缩随磁场产生“跳跃”式增加，其磁化 率也随之变化，这效应对于实际应用具有重要意义。因为产生巨大磁致伸 缩应变所需的磁场很容易达到，可以使器件的结构简单紧凑。输出功率比p z t 材料高数十倍。可用来制作大功率激振源用，用于工程地质勘探和超声加工 及声纳系统。而且其频率特性好、频带宽，可以在低频几十赫下工作，从而 可应用于制作水声换能器。也可用于高频环境，如超声加工，超声诊断等。 稀土超磁致伸缩材料也存在若干缺点，如由于其电阻率低，会产生涡流 损耗导致高频特性差；抗拉强度低，不能承受较大的拉力；材质硬但较脆易 碎，机械加工困难；制造工艺复杂，成本较高。这些缺点在一定程度上制约 了该材料的推广应用。针对这些问题目前己提出了一些解决方法并付诸实施， 如为了控制线圈发热导致磁致伸缩棒膨胀而影响纳米、埃米级超精密定位精 度，研制了用在棒与螺线管之间的恒温水冷却管，使强制水冷却控温：对于 涡流效应，可采用多层绝缘薄片粘结成棒形，减小涡损。粉末冶金法可以在 压制成型过程中制成所需的不复杂的形状。 稀土超磁致伸缩材料是继稀土发光、稀土永磁、稀土高温超导等材料之 后又一种引人瞩目的稀土功能材料，它的出现受到各国科技界、工业界和政 府部门特别是军事部门的特别关注。 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 m ri n mn l n i 1 1 3 2 弛豫铁电单晶材料 2 0 世纪五十年代水声换能器所用的有源材料大多是单晶的，其后被多晶 钛酸钡进而为锆钛酸铅p z t 所取代，直到九十年代出现了弛豫铁电单晶铌镁 酸铅钛酸铅( p m n - p t ) 和铌锌酸铅钛酸铅( p e n p t ) 网。这是种新型复合 钙钛矿型晶体材料，它具有较高的3 3 振模耦合系数和大的饱和应变，因此有 望展宽换能器及基阵的工作频带，且功率容量也很大。并以其优异的压电性 能引起了国际上的极大关注，其压电系数如、机电耦合系数k 分别高达 2 0 0 0 p c n 和0 9 以上，应变量达到1 7 ，机电转换效率和应变量大大超过了 现有p z t 压电陶瓷材料，特别适合于高效率、高灵敏度收发换能器的研制。 为此，1 9 9 7 年3 月s c i e n c e 杂志发表专文对这类新型弛豫铁电单晶体材料作 了评述，认为这是半个世纪以来铁电材料领域的重大突破，美国海军认为这 将给海军水中装备性能带来革命性的变化。 1 2 纵向振动换能器 从上世纪8 0 年代开始，低频、大功率的水声换能器就成了声纳设计者们 最主要的研究方向。在几种比较典型、成熟的结构中，纵向振动换能器( 是 朗芝万换能器的改进型。t o n p i l z ，复合棒均为其别名) 与其他类型的水声换 能器相比，具有结构坚固，性能稳定可靠，制作工艺简便且易于成阵的优势， 在国内外舰用主动声纳( 频率在3 5 0 k h z 的范围内) 基阵上，已得到广泛的 应用埘。 纵向振动换能器设计设计理论，三四十年来，国内外发表了大量文章， 对其振动特性，从集总参数到分布参数理论都做了极完善的求解分析，并用 二维理论对一维振动做了补充和修正，特别是将有限元理论用于该型换能器 的理论分析，并以激光全息测振做为验证手段，对二维、三维振动特性( 包 括振形、速度和应力分布) 做了更深入的求解。但作为工程设计理论，由于 材料性能参数是温度、时间、工作条件的函数，故难以精确的给定，再加上 装配工艺的影响，声场的理论近似，振动阻尼的集中考虑，等等，即使使用 严格的有限元解，也难免因存在上述因素而造成理论与实际的偏差。 目前国内外对纵向振动换能器的研究热点主要集中在减小尺寸、降低频 5 哈尔滨 二程大学硕十学位论文 曩宣i 宣i 皇暑宣；| i | 宣昌置| i 暑暑暑暑葺i 瞄i i 宣| 皇暑i i - i | | i i 宣暑；i i 暑暑i 冒 率及拓宽频带等方面。 1 3 纵振换能器拓宽频带方法 使纵振换能器产生多模多谐振的方法不少，只要能在一个振动系统中产 生两种以上的模态振动或一种模态能调节它的二次、三次倍频与基频间隔， 使它的组合频率响应不产生间断和过深的凹谷，就能拓宽它的工作频带。一 般有如下常用的几种拓宽频带的方法1 1 ： 1 纵向振动与辐射头弯曲振动的耦刽1 2 1 通常将纵向振动换能器的前盖板设计成喇叭形，可增大辐射面积，以利 于向前辐射声功率，同时可利用它来调节机械品质因数q 值。由于辐射头的 形状，在有源材料纵向振动的激励下，前盖板既有随换能器其他组件一起产 生的纵向振动，又会有由此引起的平行于轴向的弯曲振动出现，若能使前盖 板的弯曲振动和整个换能器产生的纵向振动恰当耦合，就有可能实现拓宽频 带的设想。 2 压电双激励源换能器川 低频工作时，前盖板、前晶堆与中间质量块共同构成等效前盖板，高频 工作时，后盖板、后晶堆与中间质量块共同构成等效后盖板，在中频工作时， 由前后晶堆共同作用，这样使得频带展宽。 3 多质量弹簧振动系统 多质量弹簧振动系统是个单模系统，它通过多个质量弹簧单元可形成 多个不同频率的谐振点，从而拓宽了带宽。 4 匹配层换能器q 对于单模振动的换能器，要想拓宽带宽，除降低换能器本身的等效质量 特别是前盖板的等效质量外，就是增加阻尼，最好是增加有功辐射阻，国内 相关研究表明，只要有适当的p c 匹配层材料以及选用合理的厚度，机械q 值可达到1 5 以下。 5 混合激励源换能器一h y b i r d 封 h y b d d 宽带换能器也是一个“质量头一弹簧l 一质量中一弹簧2 一质量 尾”的机械串联振动系统，但它是一个多模系统。弹簧l 可以是无源的金属 或柔顺性材料，也可以是有源压电陶瓷。一般将弹簧1 的劲度k 选取得大一 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i 一i ll t 些，它将控制高频段的工作。而弹簧2 可以是压电材料，一般选取的k 值小 一些，它控制着低频的性能。弹簧2 也可以选用磁致伸缩材料譬如稀土材料 t e r f c n 0 1 d ，这就构成了h y b i r d 换能器。由于是压电和压磁的双激励，它们 分别为电容性和电感性，这两部件能互相电调谐使得振动一端增强一端抵消。 t e f f e n 0 1 d 能在低频段产生大的位移形变，而且在低于谐振点t e r f e n 0 1 d 具 有每倍程仅有6 d b o c t 斜率( 压电陶瓷在发射响应上具有1 2 d b o c t 斜率) 。 1 4 超磁致伸缩换能器 将稀土超磁致伸缩材料应用于水声换能器，与其它传统有源材料相比， 有如下优势：首先，它的应变值大、能量密度高。磁致伸缩效应产生的应变， 比压电陶瓷大5 8 倍；能量密度比压电陶瓷大1 0 倍以上，在低频下可以使水 声换能器获得更高的容积速度和声源级。其次，它的耦合系数高，有利于水 声换能器的宽带高效率工作。第三，它的弹性模量小、声速低，有利于低频 水声换能器的小型化设计。此外，它的居里点温度高，没有过热失效问题。 因此稀土超磁致伸缩材料非常适合用于研制低频、大功率、宽频带的水声换 能器，国内外专家对这种材料及其换能器进行了大量研究矧1 。 1 5 本论文的研究内容 超磁致伸缩材料展现出了良好的应用前景，虽然国内外已在超磁致伸缩 纵向振动换能器上展开了大量的工作，但并未完全解决在设计过程中所遇到 的一些问题，没有完全发挥出超磁致伸缩材料的能力。论文设计了一种超磁 致伸缩复合棒换能器，重点在于解决其设计和应用中面临的诸多问题，实现 宽带、大功率、小尺寸的工作性能，主要工作包括以下内容： 1 根据有限元理论，推导使用有限元进行分析的基本理论公式。包括压 电一压磁类比和磁场公式。 2 使用超磁致伸缩材料作为激励源的复合棒换能器磁路优化设计。 3 超磁致伸缩复合棒换能器的耦合场分析与具体电声性能参数的模拟计 算。 4 超磁致伸缩复合棒换能器样机的制作与电声参数实际测量，并与理论 设计结果进行对比分析。 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章有限元耦合场与电磁场分析理论基础 2 1 耦合场分析 a n s y s 有限元软件在换能器设计中被广泛采用，但多数是利用a n s y s 软件分析压电型换能器。a n s y s 软件有专门求解压电耦合类问题的计算功 能，却不能直接用于解决磁致伸缩机电耦合问题，因此给磁致伸缩换能器的 模拟与设计带来很大的不便，目前超磁致伸缩材料( t e r f e n 0 1 d ) 在大功率低 频一甚低频换能器中应用越来越广，并且也应用于复杂结构类型的换能器( 如 弯张换能器) ，而对这些换能器的分析用经典方法( 如等效电路方法) 则显得 不方便，能求解的指标参数很有限，且精度较差，因此迫切需要通过开发通 用有限元软件的功能来解决。一条可行途径是直接从压电耦合场分析方法出 发，通过压磁一压电比拟法，实现借助a n s y s 压电耦合求解功能来分析计算 磁致伸缩型换能器的电声转换问题b 舶。这种方法的优点是推导过程直接、简 捷，输入参量和提取的变量可参考压电耦合分析中的处理办法，并且容易导 出利用输出数据结果，计算换能器电声性能的公式，物理意义鲜明。 a n s y s 解决压电耦合问题时选择如下压电方程： j 乃弘e e ( 2 - 1 ) 【d = e s + e 5 e 其中，电弹常数： c 恒电场强度下的弹性系数 p 一压电应力常数 一恒应变( 截止) 介电常数 可以选择与方程( 2 1 ) 相对应的磁致伸缩方程，对于力学量s 作自变量， r 作因变量： j 乃一一胂( 2 - 2 ) i b = f l s + 9 3 h 其中，磁弹常数： c h 恒磁场强度( 日) 下的弹性系数 夕磁致伸缩应变常数。表示单位应变引起的磁通密度变化量，它与磁 r 哈尔滨工程大学硕十学位论文 致伸缩应力常数1 7 之间的关系为= i t 5 1 7 一恒应变( 截止) 磁导率。 从方程( 2 1 ) 和( 2 2 ) 的形式上看，只要把磁学量与电学量等效： f b d ( 2 ，3 ) 【h 铮e 慝 ， 篙跚 拱卜 留跚 辫) + l 篙r 罨k , 1 j i p t v l j = 袋主封c 2 劫 鑫智f 兰j ；) + 。t i 。c 。， f 。o 】j j ， a 西 1 j + 。芝j r 乏j 2 = 馏 c 2 6 ， 磁致伸缩耦合项出现在广义刚度阵中，【k 】是机械结构刚度阵；l 巧l 是 矩阵ik di ；【k m 】是磁致伸缩耦合矩阵，由材料的常数和单元插值函数决 定，对应于压电耦合中的机电耦合矩阵lk 。l ，或者可以把 e 】称作磁性机 y = 譬盖擅( 2 - 7 ) 表示而点与西点之间的电压( 电势差) 。 而方程( 2 6 ) 中广义位移为： 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 彳= 2 詹d l 一( 2 - 8 ) 如此看来，a 的物理意义仍不明朗，请参见图2 1 ： 图2 1 描述广义位移a 的物理意义示意图 沿图示回路积分： 叮疗d 7 - - n i ( 2 - 9 ) 时是回路内的安匝数。且 叠援+ l 霞蕊+ 叠蕊守叠蕊 旺1 0 ) 蝴r棚h内粕 所以可得出下面近似表达式： 而一一， a = i 日d l = n i( 2 1 1 ) 嘲 可见彳的物理含义就代表磁致伸缩材料中而x 2 一段上的激磁安匝数。方程 ( 2 5 ) 中广义力： q = 【西衍 ( 2 1 2 ) 代表z 截面上积累的自由电荷。方程( 2 6 ) 中广义力： 妒= 【雪d o ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 的物理意义很鲜明，它表示截面穿过的磁通量。 根据这些赋予具体物理意义的广义位移和广义力可以计算出换能器性能 参数。 若换能器以恒流，工作，如图2 2 所示： 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 图2 2 描述磁致伸缩换能器阻抗关系示意图 那么在换能器线圈上的电压为： u ：磐( 2 1 4 ) d t 则换能器的输入阻抗可由下式表示： a 痧 z = z o + 盟 ( 2 1 5 ) 其中，z 0 为换能器阻挡阻抗( 或谓静态阻抗) 。 在求解中，若同时考虑流体结构耦合作用，将换能器与周围介质( 足够 大区域) 作有限元网格划分，可一并求出声场参数，结合上面给出的电输入 m ( v ，i ) 的值便可以计算出一系列换能器性能参数，如输入阻抗曲线、声源 级、发射电压响应、发射电流响应、指向性图、机械品质因数及通频带带宽 等等。 2 2 电磁场分析一麦克斯韦方程组 电磁场理论由一套麦克斯韦方程组描述，分析和研究电磁场的出发点就 是对麦克斯韦方程组的研究，包括这个方程的求解和实验验证。麦克斯韦方 程组由四个定律组成，分别为安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电 通定律( 亦简称高斯定律) 、高斯磁通定律( 亦称磁通连续性定律) 7 a - 2 5 1 。 安培环路定律： 无论介质和磁场强度川拘分布如何，磁场中磁场强度沿任何一闭合路径 的线积分等于穿过该积分路径所确定的曲面q 的电流的总和，或者说该线积 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 分等于积分路径所包围的总电流。这里的电流包括传导电流( 自由电荷产生) 和位移电流( 电场变化产生) 。如： 匝豆万= 儿( 了+ 鲁 舔 ( 2 6 ) 这里r 为曲面q 的边界，为传导电流密度矢量( a r l 1 2 ) ，a ! 别新为位 移电流密度，西为电通密度( c m 2 ) 。 法拉第电磁感应定律： 闭合回路中的感应电动势与穿过此回路的磁通量随时间的变化率成正 比。用积分表示为： 匝豆万= 一皿警舔( 2 - 1 7 ) 雷为电场强度( v m 2 ) ，豆为磁感应强度( t 或w b m 2 ) 。 高斯电通定律： 在电场中，不管电介质和电通密度矢量的分布如何，穿过任何一个闭合 曲面的电通量等于这_ 闭合曲面所包围的电荷量，这里指出电通量也就是电 通密度矢量对此闭合曲面的积分。该定律的积分形式可表达如下： 乱西舔= m 肚 ( 2 - 1 8 ) p 为电荷体密度( c m 3 ) ，y 为闭合曲面s 所围成的体积区域。 高斯磁通定律： 在磁场中，不管磁介质与磁通密度矢量的分布如何，穿过任何一个闭合 曲面的磁通量恒等于零这里指出磁通量即为磁通量矢量对此闭合曲面的有向 积分。积分形式为： 啦雪毋= o ( 2 1 9 ) 上述四个方程便构成了描述电磁场的麦克斯韦方程组。式( 2 1 6 ) 表明 不仅传导电流能产生磁场，而且变化的电场也能产生磁场；式( 2 1 7 ) 为推 广的电磁感应定律，表明变化的磁场亦会产生电场；式( 2 1 8 ) 表明电荷以 发散的方式产生电场；式( 2 1 9 ) 说明磁力线是无头无尾的闭合曲线。这组 麦克斯韦方程组表明变化的电场和变化的磁场间相互激发、相互联系形成统 一的电磁场。 1 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 式( 2 1 6 ) 至式( 2 1 9 ) 方程还分别有自己的微分形式， 导出使用有限元法处理电磁问题的微分方程，如下： 安培环路定律： v 啦) 印) + 叱) + 咖+ 法拉第电磁感应定律： v 巾) 一 高斯电通定律： 通过它们可以 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) v d 】= 户 ( 2 - 2 2 ) 高斯磁通定律： vb)=o(2-23) 其中，v x 为旋度算子；v 为散度算子； h ) 为磁场强度矢量； j ) 为总的 电流密度矢量，包括外加激励源电流密度矢量 以) 、感应涡流密度矢量 以) 和 速度电流密度矢量 五) ； d ) 为电位移矢量： e ) 为电场强度矢量； b 】为 磁感应强度( 或磁通密度) 矢量；p 为体电荷密度。 除此之外，还有满足麦克斯韦方程组的电荷守恒定律： v h 剐= 。 协2 4 ， 2 3 本章小结 本章根据有限元压电分析理论，推导得出适用于磁致伸缩换能器的压电一 压磁类比关系，使a n s y s 有限元软件可直接用于模拟分析磁致伸缩换能器， 从设计理论上为磁致伸缩复合棒换能器的研制做好准备。本章中对电磁场基 本公式的阐述，结合压磁分析，能更清晰的了解磁致伸缩换能器的工作原理， 更好得把握住磁学各参量与换能器性能的关系。 1 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第3 章超磁致伸缩复合棒换能器的磁路优化设计 3 1 磁路优化意义 磁致伸缩换能器是个电一磁一机一声的综合系统，与压电换能器设计相比， 还需要特别的磁学设计。随着水声技术的发展，对换能器提出了更高标准的 指标。只有通过合理的磁路设计，才能提高电磁转化效率和减少磁泄漏，有 效减少换能器的驱动电流，降低线圈发热量，从而进一步提高换能器大功率 发射等性能。 在最大限度发挥磁致伸缩材料的性能时，还要综合考虑整个系统重量、 成本、工艺可实现性，以及布放时是否影响周边的铁磁环境等因素。这些工 作，都将在磁路优化的过程中展开。 3 2 磁路优化内容 对于磁致伸缩材料，它的工作磁场分为静态偏置磁场和动态驱动磁场。 首先，如图3 1 所示，磁致伸缩稀土材料的应变与预应力和偏置磁场的 关系密切州，只有选择恰当的工作点( 预应力和偏置磁场) ，稀土材料才能发 挥最佳的性能。 图3 1 稀土材料应变与磁场和预应力的关系曲线 其次，由于稀土材料的磁致应变和磁感应强度呈线性关系，随磁感应强 度增大而增强。而且材料内部的磁通分布均匀与否将影响磁致伸缩效果，分 布越均匀，磁致应变就越佳。因此，动态驱动磁场的设计目标就是减少漏磁， 1 4 o j 垤m m 忪加8 6 4 2 (il善日常ns每!-景吕昌w差 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 使磁致伸缩材料在驱动时其内部具有尽可能大的( 在已设置的工作点附近线 性区间内) 、均匀的磁通分布。同时降低涡流损耗、发热等对换能器性能不利 的影响。 3 3 单棒式磁路结构优化 近年来，磁路优化工作受到越来越多研究人员的重视，国内外均有不少 相关领域的研究工作见诸报道卜蚓。所谓单棒式磁路结构，是指稀土棒在空间 单行排列的旋转轴对称结构。事实上稀土棒可以空间任意多路排列，但是会 面临结构复杂性增加、装配及预应力施加困难等实际问题。所以除了为数不 多的双棒激励外，更多棒激励只被极少数设计所使用。 单棒激励磁路和多棒激励磁路最大区别在于单棒是开放磁路，多棒则自 成闭合磁路。单棒激励时，若不外加闭合磁路，电磁转化率将难以提高。 3 3 1 静态偏置磁场 静态偏置磁场通常有非永磁磁路和永磁磁路两种。前者使用线圈偏磁： 线圈中通以直流电提供偏置磁场。这种工作方式的优点是稀土棒内的偏置磁 场比较均匀，而且通过调节线圈的直流偏流就可以改变偏置磁场的大小，适 应性好。缺点是使发射系统的复杂程度大为增加，工程应用不便；并且较大 的直流偏流产生的发热量，严重影响换能器的性能，不利于长时间工作，一 般用于对振子效率要求不高的场合。后者通过永磁组件( 通常为钕铁硼材料) 提供偏置磁场，一般用在需要考虑效率、供电设备、温度稳定性、连续工作 等场合。永磁磁路通常使用闭合式磁路，在极特殊场合可使用开放式磁路。 但即使使用闭合磁路，也面临着以下问题：偏置磁场均匀性下降，且不易进 行调节，导致换能器电声效率降低。而静态偏置磁场的优化就是要尽量解决 该问题。 一般说来，单棒激励有四种常见的永磁闭合磁路结构，如图3 2 。 图3 2 中的前两个是永磁叠片式磁路结构，由于在磁致伸缩材料中增加 了多个永磁片，降低了驱动振子的刚度，一般适用于低频换能器；后两个是 永磁桶型磁路结构，一般适用于高频换能器。 1 5 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 嗣 1 水氆材料圆磁致伸缩材料 r - - - - a 导诺材料园线圈 图3 2 四种闭合磁路的结构形式 这四种结构的磁路设计与换能器的结构参数存在如下矛盾： 1 采用永磁叠片式，容易影响换能器频带内的响应，其纵振尺寸偏大， 可能影响换能器的布阵； 2 采用永磁桶型式，漏磁较大，容易受边界条件限制，要求周围无铁磁 物质，交流驱动效率较低，加大了驱动的压力： 3 磁路径向尺寸不仅与应力施加机械关联，而且与换能器的辐射面相关， 而且还受阵列的设计限制，强烈影响驱动线圈的设计。 鉴于以上原因，并结合本设计的自身要求，本文选用第一种永磁叠片式 磁路进行具体优化。 由于选用的是厚度方向充磁钕铁硼作为永磁叠片，其导磁率在 1 1 p o 口1 2 ( = 4 n x l 0 7 h m ) ，其本身属于磁阻材料，而且厚度方向磁力 线发散，如图3 3 所示： 图3 3 厚度方向充磁钕铁硼磁场示意图 图3 3 中，红色方框为厚度方向充磁的钕铁硼片，所示黑色曲线为磁力 1 6 充磁方冉 a u 线，表示以钕铁硼质心为原点，半径与矢龟磁势的乘积为常数的线。 若将蚀铁硼直接与稀上棒连接，如图3 4 ： 同) ， 看卅 电_ 图3 5 稀土与永磁之例添加高导磁材料后的磁场示意图 图35 中可以看出，稀t 棒内部磁场均匀度明显改善。这和电路中电荷 1 7 1；桑淼，|一_豢?一 稀槲静融吐渤 一 一 翟 撼缝 一瀵 i 暗自：滨j 榉、学颤卜学忙论文 向存易通过的低电阻路径聚集道理相同，磁路中磁通也向易通过的高磁导率 路径趋附。所以合理安排磁阻磁导材料的尺、j 和位置，可以达到均匀磁场， 减少漏磁的效果。 本着上述原则，在第种永磁蒋片式磁路的基础上，本文初步拟订了磁 路结构，如图3 6 ： - - 参考肄径 a m 水磁村料 础材料 - 罐致伸嫱材料 蝇目首荣 线目 图3 6 韧步拟定的磁路结构( 轴对称) 其中： 1 磁致伸缩材料的尺寸参数固定，为高度中2 0 m 8 x3 0 r a m 的穿孔棒， 磁导率似设为线性且各向同性均为45 a 电阻率为5 8 8 1 07 q m ： 2 永磁材料选用矫顽力hz8 9 5 0 0 0 a m ，剩磁强度占，= 12 i t 的钕铁硼 材料，磁导率约为i 】，电阻率为j0 1 0 “q m ； 3 导磁材料选用磁导率约为2 0 0 0 p 。( 线性) ，电阻率为10 1 0 。q m ，饱 和磁感应强度为21 5 t 的电工纯铁。 4 参考路径是指f 文中再参数的提取路径。 根据静态磁路与动态磁路的相对独立性，以及所埘有限7 l 分析软件的具 体功能，在静态偏置磁场分析中使用静态分析，并将激磁线圈处理为一般导 8 f 乜体( 铜) ；动态驱动磁场分析使用电磁l 旨波分析，并将永磁体处理为一般导 电体。其轴对称有限，c 分析模型如图3 7 ： 图37 磁路分析的有限元模班( 轴刈称) 静态分析偏霄磁场，稀土棒轴向( i 墨】3 6 参考路径上) 磁场强度h 分粕 如图3 8 。为了分析方便，将所提取参数做门一化处理。 1 。 8 。 6 。 ：一 2 0 一偏置磁场 桃 一 。 o6l2 1 8 2 4 3 0 l ( m m ) 图3 8 稀j 棒轴向静态磁场强度h 分粕曲线 山图可见，轴向偏置磁场的均匀度有所改善，似差异仍然不- 可忽视。主 要原因是永磁片与稀土棒之白j 的高磁导率组件电工纯铁体积有限。但在整个 设训中。换能器内部空间有限，而且为了提高电声效率，应该尽量优先考虑 增加有源材料稀上棒的体积，所以电：】二纯铁片又小宜太厚。具体厚度将在f 节的动态驱动磁路优化后，由两类优化统筹给出。 哈尔滨】讯1 人学硕 一学位论文 假如使用桶型偏磁，如矧3 9 所示，稀1 棒轴向偏磁场均匀度极佳。但 是由j 上文中所提及的原因：如漏磁大，整个换能器将容易受边界条件限制， 要求蒯田无铁磁物质：交流驱动效率较低等。所以决定还是选用e 文介绍的 爪磁替片式方案。 一 1 0 图3 9 桶型偏磁结构与有限元模型及稀士棒轴向磁场强度h 分布曲线 332 动态驱动磁场 在磁系统的激碰线圈中通以交变电流，则在磁系统寸1 将具有交变磁场， 此时的磁系统称为交流磁路，它具有以下儿个特点： 交流线圈的磁势、磁通、磁感应强度和磁场强度都是随时倒而变化的。 在计算中一般不用它们的瞬时值表示，而是磁通和磁感应强度用最大值表示， 磁势和磁场强度用有效值表示。 交流线圈中电流的大小，决定于线圈中的电阻和电抗，主要是决定j 线 圈的电抗，线圈的电抗又和磁路的磁阻大小有关。电抗包括感抗和容抗：感 抗由线圈因电磁感应而产生的；容抗由静电感应产生。在交流线圈巾，容抗 很小，可以忽略不计。对于带铁一1 1 , 的线圈来i 兑，电感量 2 0 * ；i 竺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l = ( 七i i o 以刀2 s ) ，( h ) ( 3 一1 ) 式中：，为线圈长度，s 为线圈截面积，n 为线圈匝数，肛。为真空磁导率，以 为磁芯的相对磁导率，k 系数取决于线圈半径与长度的比值。 在交变磁通的作用下，磁导体有涡流和磁滞损耗p 1 。它们的存在不仅使 线圈的激磁电流增加，而且使磁路中磁势与磁通有相位差，沿磁导体各段的 磁通也不相同。 3 3 2 1 驱动线圈设计 设计驱动线圈的几何尺寸是进行驱动磁场分析的首要工作。电磁线圈的 几何尺寸是影响电磁转化率的一个主要因数p 删，电磁线圈几何形状对所产生 磁场强度的影响可表示为： h 4 = g t l ( 3 2 ) 式中：日酬为电磁线圈产生的磁场强度；为几何形状参数；并定义 乞龇= 匕 ( 3 3 ) 式中：为电磁线圈电阻：k 为励磁电流强度；，为线圈导线系数，导 线横截面为圆形或方型时其值为冗4 或l ；p 为导线电阻率。图3 1 0 所示的 是电磁线圈的几何形状。 氮 蕾 弹 基 雠 板 外径内径比曩 图3 1 0 电磁线圈的几何形状及参数示意图 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尚了h l 筹l ， 式中：a - ( 2 a l ；= ，2 q ；q ，a 2 分别为电磁线圈横截面的内圆半径和外 圆半径，为线圈长度。由图3 1 0 右侧的参数图可知，当= 0 。1 7 9 ， 即口= 3 ，= 2 时电磁线圈具有最优的几何形状，即电磁线圈内径与线圈壁 厚尺寸相同，线圈长度为内径两倍时，该几何形状的电磁线圈磁能耗最低， 电磁转化率最高，所以产生磁场强度相对最大。 3 3 2 2 驱动磁场均匀度设计 根据求得的瓯；，参数，对图3 6 所示的磁路结构进行谐响应分析。稀土 棒轴向驱动磁场的均匀度如3 1 1 图： 1 0 0 9 0 8 0 7 0 比6 0 例5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 061 21 82 43 0 l ( m m ) 一驱动磁场 图3 1 1 稀土棒轴向动态磁场强度日分布曲线 可见，此结构的轴向磁场分布均匀，只是在稀土棒与电工纯铁片接触的 区域由于涡流引起磁场大幅衰减。而抑制涡流正是磁路分析另一个重要部分。 下面就着手解决涡流损耗以及涡流所引起的磁场均匀度差等问题。 本文中处于工作状态的稀土棒，是在轴向方向受交变磁场驱动，时变的 磁通在棒中产生感应电动势，从而产生涡流，使稀土棒发热，消耗能量。且 涡流轨迹是以轴向为圆心的同心涡流圆。图3 1 2 所示的是未加涡流抑制处理 的稀土棒在图3 6 结构下的径向磁感应强度分布。 2 2 径向驱动磁场 rc 幽31 2 稀土棒径向动态磁场强度爿分布曲线 圈中明显看出，稀土棒径向均匀度极差，且在棒内径附近出现了反相区， 这对稀土棒工作是极不利的。 现阶段常用的抑制涡流方案是对稀土棒径向切缝后填充绝缘材料。使磁 通穿过稀上棒各部分相对狭窄截面时，涡流被限制在沿各块中的同路流过