（水声工程专业论文）外部驱动弯张换能器的cad设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do fp r o j e c t o rd e s i g ni ss p u r r e do nm a i n l yb y t h r e e m o t i v a t i n gf o r c e s ：t h ee x t e n s i v er e s e a r c hi nu n d e r w a t e rp r o p a g a t i o ne s t a b l i s h e s t h ea d v a n t a g e so fi n c r e a s i n gl o w e rf r e q u e n c i e sf o rl o n gr a n g ed e t e c t i o n ，t h e a d v e n to fn e wa c t i v ea n ds t r u c t u r a lm a t e r i a l sl e a d st os u b s t a n t i a li m p r o v e m e n t si n t r a n s d u c e r p e r f o r m a n c e ，a p p l i c a t i o n s o ft h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y t h e l o w - f r e q u e n c ya n dh i g h p o w e rp r o j e c t o rh a v eb e c a m et h ep r i m a r yc a n d i d a t eo f s o n a rs y s t e ma p p l i c a t i o ns i n c et h ee a r l y 19 8 0 s a m o n gt h e m ，t h ef l e x t e n s i o n a l t r a n s d u c e r sa r et h e l o w f r e q u e n c ya n dh i g h - p o w e rp r o j e c t o ra p p l i e dt h e m o s t w i d e l y a n dt h em o s t i d e a l l y b u t t h e b i g g e s td i s a d v a n t a g e o ff i e x t e n s i o n a l t r a n s d u c e ri st h e c o m p l i c a t e dd e s i g n ，h a s o b s t r u c t e dt h e d e v e l o p m e n t o f f l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e r r e c e n ty e a r s ，a c c o m p a n i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g yi th a sa t r e n dw h i c hu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t o d e s i g n t r a n s d u c e r s t h i s p a p e rp r e s e n t s t h e d e s i g n o fo u t b o a r d d r i v e n f l e x t e n s i o n a l 证a n s d u c e ru s i n gf e ms o f t w a r ea n s y s t h i s p a p e r d i s c u s s e dt h et r e n d sa n d p r o b l e m s i n l o w f r e q u e n c y a n d h i g h - p o w e rt r a n s d u c e r sd e s i g na n dg a v eo u tt h es o l u t i o n sb a s e do nr e v i e wt h e d e v e l o p m e n ts t a t u si nr e c e n ty e a r s w ed e d u c e d t h eb a s i ct h e o r e t i c a lf o r m u l af o r a n a l y s ep i e z o e l e c t r i c sa n da c o u s t i cf l u i du s i n gf e m s u b s e q u e n t l y ，w ep r e s e n t e d t h eb r i e fi n t r o d u c t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s a n dt h ea p p l i e d m e t h o do f d e s i g n i n g t r a n s d u c e r s i nt h e p a r t o ft h e s i s sd e s i g n ，w e c a l c u l a t e dt h e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s , r a d i a t i o n c h a r a c e d s t i c sa n d r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f o u t b o a r d d r i v e nf l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e r , a n do p t i m i z e dt h es i z eo f s t r u c t u r e w e p o i n t e d o u tt h a tt h e r e s i s t a n c ew a st h ec h i e f p r o b l e m e n c o u n t e r e di n o u t b o a r d d r i v e nf l e x t i o n a lt r a n s d u c e rd e s i g n ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fo p t i m i z i n gd e s i g n ，w ec a r r i e do u tt h es t a t i cs t r e s s a n a l y s i s a n dt h e d y n a m i cs t r e s sa n a l y s i s ，a n di n s u r e dt h es a f e t y o ft h el a t e r a s s e m b l e p r o c e s s e s w e c a l c u l a t e dt h ee l e c t r o - a c o u s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f d e s i g n e dt r a n s d u c e ru s i n gt h ep o s t p r o c e s sf u n c t i o n so f a n s y s a c c o r d i n gt o t h ea b o v ew o r k ，w em a n u f a c t u r e da n dm e a s u r e dt h er e a l o u t b o a r d d r i v e nf l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e r ，t h e nc o m p a r i n gw i t hc a l c u l a t i n gr e s u l t f i n a l l y ，w es u m m a r i z e dt h ep r o b l e m sw h i c hh a v el e a v e db e n n da n dt h ew o r k d i r e c t i o n si 1 1t l 】ef u t u r e k e yw o r d s ：o u t b o a r d d r i v e n ；f l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e r ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章换能器综述 自从八十年代早期，低频大功率水声换能器已成为声呐应用的首选目标。 在现代声呐系统中，由于采用高效计算技术和现代信号处理技术，已经使声呐 系统的信号识别能力、抗干扰能力得到充分提高，加之水声信道技术的应用 可以使信号衰减降到极限水平。在声呐用于反潜战的领域，由于新型潜艇的 噪声降低，被动拖曳阵的作用日益减小。因此，进一步提高声呐的作用距离 和探测能力，更有潜力可挖的技术途径是提高换能器与基阵的综合技术指标， 如降低声呐工作频率、加大辐射声功率是提高声呐作用距离的有效途径之一， 现代声呐使用的频率范围己降低到几十到几百赫兹，甚至在一些新的领域采 用次声工作频率。 九十年代初，美国海军水下系统中心一位声呐换能器权威人士曾指出， 近3 0 年声纳换能器的发展主要靠三个推动力来激励。一是对水声传播领域的 广泛研究已证实，为了提高探测与定位能力，低频工作是优越的：二是新型 换能器材料和新概念的出现使换能器的电声参数有了明显提高：三是先进的 计算机建模技术为综合分析和解决换能器自身、换能器阵列及相应的声结构 和障板的性能起到了支撑作用。 水声换能器技术归纳起来，主要包括材料( 包括有源材料和无源材料) 、 设计方法和换能器的制作工艺等方面。因此，今后一段时间内换能器研究的 重点和方向主要有： l - 研究所用的结构和使用的材料对功率的限制： 2 新的换能器结构形式的探索； 3 制作工艺水平的提高： 4 换能器装配成阵和相关的耦合问题的研究； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 新的驱动材料的探索和现有材料性能的提高； 6 发展使用有限元方法和转换矩阵( t r a n s f e rm a t r i x ) 技术进行数学模拟； 7 发展大功率发射器。 目前，研制低频大功率水声换能器、光纤水听器、矢量传感器等已称为 换能器研究领域的热点。 1 2 几种发射换能器简介 在换能器的研究中，没有种比较通用的方法来定量比较不同类型换能 器的好坏，人们经常使用输出功率和总重量比来作为标准，但同时却忽视了 换能器的带宽、传输效率和可靠性等因素。下面简要介绍不同类型发射换能 器的特点和基本原理“。 1 h e l m h o l t z 谐振器 h e l m h o l t z 谐振器在结构上包括一个刚性腔( 通常是圆柱) ，通过一个小 的开口或“颈”与外部的流体耦合。在工作频率时，内部流体刚度和“颈” 中的流体质量满足谐振条件。h e l m h o l t z 谐振器可以适用不同的驱动元件来 驱动。图1 1 是h e l m h o l t z 谐振器的结构示意图，图( a ) 中谐振器的底部由 三叠片压电弯曲盘构成：图( b ) 中谐振器的柱体由压电圆环组成，采用径向 振动模式工作：图( c ) 中柱体由压电弯曲棒装配成桶形，采用弯曲振动模式 工作。上述的每个谐振器的工作频率都低于压电振子的谐振频率。 h e l m h o l t z 谐振器主要的优点是可以承受较高的静水压，适用于在深水 工作，声学特性受静水压影响小：能够提供低频辐射，具有较高的声源级。 主要的缺点是水中的q 值较大，带宽小，效率低；低频应用时需要提供充足 的柔性：谐振时，腔体的内应力较大等。 2 t o n p ii z 换能器和j a n u s 换能器 t o n p i i z 换能器是一种常用的大功率发射换能器，它具有以较小的重量 和体积获得大的声能密度而且易于布阵等特点，被广泛地应用于水声和超声 技术中。当t o n p i l z 换能器用于接收时也有较高的灵敏度。目前国内外对 t o n p i l z 换能器的研究热点主要集中在尺寸不增大的基础上降低频率、增大 哈尔滨工程大学硕士学位论文 带宽等方面。 ( c ) 图1 1h e l m h o l t z 谐振器图1 2t o n p i i z 换能器 图l _ 3j a n u s 换能器 j a n u s 换能器，即双端纵振动换能器，是双面对称发射的t o n p i i z 换 能器，其优点是结构紧凑，设计简单：功率重量比好，能发射中、高功率： 与支撑结构有较好的去耦，尾质量位于结构的中心：装配成阵比较容易，物 理特性和制造技术比较成熟。缺点是换能器的频率下限不能低于4 0 0 5 0 0 h z ，但使用磁致伸缩驱动可以克服此问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三返， ；弯曲板 压畦王潮瓷 一霰性环 图1 4 压电陶瓷弯曲振动盘 3 压电陶瓷弯曲振动盘( c e r a m i cf l e x u r a ld is c ) 压电陶瓷弯曲振动盘般采用三叠片结构，将金属板夹在两片压电陶瓷 中间，利用弯曲振动谐振频率低的特点制成低频换能器。应用时，压电陶瓷 采用反相驱动，激励产生弯曲振动模态。通常将两个弯曲盘安装在环型外壳 上，在换能器内部形成一空腔，通常插入充油或充气的顺性管来提供压力释 放。它可在一个倍频程频带内提供较好的功率重量比，结构简单。缺点是谐 振频率对内腔阻抗随深度变化比较敏感。最大的输入功率受电场和陶瓷能承 受的最大应力所限制。 图1 5 陶瓷弯曲棒换能器 4 陶瓷弯曲棒换能器( c e r a m i cb e n d e r sb a rt r a n s d u c e r s ) 陶瓷弯曲棒换能器是利用矩形板的弯曲振动模式制成弯曲换能器。它由 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多个矩形板围成一桶形来获得较大的声源级，结构如图1 5 。内腔使用压力 释放机构来平衡静水压。此种换能器的尺寸较小，在低频时能发射较大的声 功率，可靠性好。缺点是工作水深受限制，并且制作换能器需要大量的压电 陶瓷，重量大，成本高。 5 溢流式圆环换能器”“”( f r e e f l o o d e dr i n gt r a n s d u c e r s ) 此种换能器利用溢流式圆环液腔振动和径向振动耦合原理，可使换能器 的体积小、重量轻、功率大，而且具有较低的谐振频率、宽频带和高的效率， 特别是具有优良的深水性能和良好的指向性，非常适用于变深声呐。该换能 器还具有高的接收灵敏度，优异的接收性能等特点。 当压电陶瓷圆环的直径比较大时，由于陶瓷烧结工艺的困难，圆环可由 压电陶瓷窄条和金属条镶拼组成，此时的压电陶瓷常采用切向极化。 v， i 上 i i 一 9 图1 6 溢流式圆环换能器图1 7 环状换能器 6 环状换能器( r i n gt r a n s d u c e r ) 如图1 7 ，环状换能器以外部的圆环作为辐射面。通过计算圆环的厚度 使之能够承受工作水深时的静水压。一些长度振子按照“星”形插入圆环内。 每个长度振子由多片压电陶瓷和尾质量组成。此种换能器由于结构上的特点， 可以工作在深水。并且有两令主要的谐振频率可以应用，一是比圆环自身的 谐振频率( 圆环的呼吸模态) 稍低的谐振频率，二是比每个长度振子的谐振 哈尔滨工程大学硕士学位论文 频率( 类似t o n p i i z 换能器的纵振动模态) 稍高的谐振频率。 7 铁磁流体式换能器”3 ( t h ef e r r o f l u i dt r a n s d u c e r s ) 铁磁流体换能器的工作原理是，把近饱和条件下的铁磁流体置于交变梯 度磁场中，铁磁流体受到开尔芬力的作用，从而形成其内部的体声波，进而 推动限制铁磁流体的软膜向外界辐射声波。铁磁流体换能器是一种低频、宽 带发射器。这种换能器与海水介质的特性阻抗匹配较好，在水声对抗中，可 用作模拟舰艇所发出的噪声的假目标声源。如果加上均衡器，可制作出水下 高保真放音器。用在拖曳阵上，可制成模拟舰艇线谱干扰器。 8 动圈式换能器( m o v i n g c o i lt r a n s d u c e r s ) 动圈式换能器( 图1 8 ) 在低频可以提供辐射面的大位移，带宽较大。 通常用于扩音器和空气中的播放音乐系统。其结构主要由磁路和可动的活塞 两部分组成，通常采用压缩气体作为压力释放机构，是典型的大柔顺性系统。 它是低频、宽带、低功率的换能器类型，功率一般不超过1 0 瓦。低功率的原 因在于磁感应系数和电线长度与负载电流的乘积之间的相互限制，其最大电 功率极限决定于如何将产生的热及时地驱散。随着稀土永磁材料和超导材料 的发展，可以期望在未来功率能够得到提高。 空驻 基 图1 8 动圈式换能器 图1 9 流体动力式换能器 9 流体动力式换能器 6 哈尔滨工程太学硕士学位论文 流体动力式换能器( 图1 9 ) 是通过将液体在压力下的动能转化为声能， 通过两个弯曲盘向外辐射声波。此种换能器适用于低频宽带，带宽可达两个 倍频程，其功率重量比与压电陶瓷声源类似或略低，可提供中等输出功率级。 缺点是换能器的结构较为复杂，所以安全可靠性也较差，且波形失真较大。 1 0 弯张换能器 弯张换能器是目前低频、大功率换能器中应用最广泛的换能器。本文将 在第2 章详细介绍弯张换能器。 1 ，3 换能器换能材料的发展 目前，大多数换能器所使用的驱动材料仍是压电陶瓷，发射换能器常用 p z t 一4 和p z t - - 8 压电陶瓷，接收换能器常用p z t - - 5 压电陶瓷。近些年随着 稀土材料性能的提高和价格的下降，稀土材料也被广泛应用于换能器中，特 别是超磁致伸缩材料等。新型压电材料p v d f 以及压电复合材料是比较适宜作 为接收换能器的换能材料。 1 3 1压电陶瓷 最早发现有压电性的陶瓷是b a t i o 。o “”。1 。1 9 4 5 年前后，美国，日本，苏 联等国各自独立地发现了钛酸钡的高介电常数和铁电性，1 9 4 7 年美国的 r o b e r t s 发现了其压电性，b a t i o 。的特点是不溶于水、高耦合因子、易于制 备和加工、价格低廉等。5 0 年代中期，对钛酸铅和锆酸铅中第二相变的研究 导致了锆钛酸铅( p z t ) 系陶瓷材料的发现，由于p z t 具有非常强和非常稳定 的压电性，从此压电陶瓷得到迅速广泛的应用。随后，人们陆续试制了三元 系压电陶瓷、四元系压电陶瓷、无铅压电陶瓷、透明压电陶瓷等，使得压电 陶瓷的应用领域不甑扩大。目前在水声中应用得最多的仍是锆钛酸铅( p z t ) 系压电陶瓷，其次是钛酸钡、偏铌酸铅和铌酸铅为基的压电陶瓷。近年来， 钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷以及聚合物与陶瓷构成的压电复合材 料成了研究和开发的热点。 4 0 多年来，绝大多数的换能器，包括发射器和水听器，都是由压电材料 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制成的。首先，在水声换能器中广泛使用压电陶瓷是由于它的显著的机电特 性，特别是较高的机电耦合系数( 与稀土磁致伸缩材料相近) 。对发射器来说， 较高的机电耦合系数可以产生较高的电声效率，可以承受大功率。其次，压 电陶瓷的介电损失也比大多数的磁致伸缩材料的磁损失小，使得压电材料比 磁致伸缩材料更适合高频应用。压电陶瓷的另一个好处是可以制作成各种不 同的形状。大多数压电换能器的工作频率从几十赫兹到几百k h z 。 压电陶瓷的缺点是只能承受较小的拉力，易碎。此问题可以通过对压电 陶瓷施加预应力来解决，但压电特性通常随预应力的变化而变化。另一缺点 是，压电陶瓷中复合成分或成形和烧制工艺的很小的变化，会对压电陶瓷的 物理特性有较大的影响。老化现象也是压电陶瓷的缺点，老化现象就是压电 陶瓷的特性随时间的变化而变化，随着时间的加长，压电陶瓷的极化会越来 越弱，趋向于未极化的状态。压电陶瓷在大功率驱动时会有明显的非线性， 使得介电损失增大。对于设计低频换能器来说，压电陶瓷较高的杨氏模量是 一劣势。 1 3 2 超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料”o “1 是稀土元素铽t b ( t e r b i u m ) 、镝d y ( d y s p r o s i u m ) 和铁f e 的合金化合物，其基本结构成分为t b 。d y 。f e ：，所以又称为稀土超磁 致伸缩材料。该材料首先由美国海军防卫研究所( n o l ) 于7 0 年代初研制成 功，通常超磁致伸缩材料又称为t e r f e n o l - - d 。 t e r f e n o l d 与其它材料相比具有优异的特性。它的磁致伸缩效应的最大 应变可达到l o 一1 以上，而通常使用的纯镍的磁致伸缩效应的最大应变仅为一 4 0 i 0 “( - 4 0 p p m ) 。又比通常水声换能器使用的压电陶瓷的最大应变至少大 4 倍。另一方面，t e r f e n o l - d 的能量密度比压电陶瓷的能量密度至少大1 0 倍以上，可达到2 1 0 4 j m 3 ，纯镍的能量密度仅为3 0 j m 3 。t e r f e n o l d 的另 一特点是它的声速仅为1 7 0 0 m s ，比p z t 压电陶瓷和纯镍的声速小3 - 4 倍。 因此用t e r f e n o l d 制成的水声换能器，在相同体积的条件下，其共振频率比 压电陶瓷水声换能器低3 4 倍，而辐射的声功率可比压电陶瓷水声换能器的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 辐射声功率至少大1 0 倍。因此超磁致伸缩材料在低频大功率水声换能器、大 功率执行器、控制器、有源消振以及力、位移和其它传感器等方面得到越来 越大的应用。t e r f e n o l d 材料的缺点是材质脆，机械加工困难，高频涡流损 耗大，价格较贵等等。t e r f e n o l d 材料的研究主要集中在改变t b 、d y 的比 例和在f e 中添加m n 、v 、b 、a 1 和t i 等元素，以提高材料的磁致伸缩性能和 材料性能的稳定性、提高材料的电阻率、减小磁滞损耗以达到高频使用的目 的等。表1 1 是几种大功率换能器发射材料的性能对比。 表1 1几种大功率换能器发射材料的特性 材料杨氏模量最大应变能量密度声速机电耦台系 ( g p a ) ( 1 0 讳)( j m 3 )( m s 2 )数( k 。) p z t 一88 02 5 02 5 0 04 5 0 00 5 - 0 6 p m n p t1 0 15 0 01 2 6 3 04 5 0 0 t e r f e n o l d3 01 0 0 0 2 0 0 0l5 0 0 0 6 0 0 0 01 6 9 0o 7 近年来开发研究了四元稀土合金，即以适当比例的m n 元素代替稀土铁三 元合金中的部分f e 元素，得到组成为t b ；d y 。( f e 。m n ，) 。的四元合金，可 以使低磁场下的磁致伸缩系数提高5 0 ，金属m n 取代部分f e 可以在一定范 围内提高材料的磁致伸缩性能，提高机电耦合系数，降低材料的声速等。 超磁致伸缩材料在水声换能器应用比较广泛，目前已知的应用类型有： 圆柱形水声换能器、t o n p i l z 换能器、用于海洋声层析的水声换能器、弯张 换能器、j a n u s 抉能器、超导稀土超磁致伸缩水声换能器等。 t e r f e n o 一d 材料可以制成不同的形状来应用于换能器上，其中 t e r f e n o l d 体块材料( b u l km a t e r i a l ) 的应用最为广泛。日本信州大学和 冲电气株式会社使用8 根m 2 0 x1 2 0 m m 的t e r f e n o l d 棒材研制成一个0 9 4 0 3 7 0 n n i n 的圆柱形水声换能器，其共振频率为2 0 0 h z ，声源级达到1 9 2 d b ，机 械q = 4 ：法国c e d r a t 和美国m a g s o f t 公司合作研制了t r i p o d et o n p i l z 水 声换能器，频率为1 2 k h z ，声功率可达3 k w ；瑞典的lk v a r n s j o 研制了在 5 0 h z - - 5 k h z 频率范围内用于扫雷的椭圆管弯曲型换能器；英国h u l l 大学使 用两根中2 0 2 5 0 r a m 的t e r f e n o l d 棒材研制成可控大功率执行器，在3 0 0 h z 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的频率范围内可获得0 5 m m 的位移和l o k n 的驱动力。对t e r f e n o l d 薄膜材 料( t h i nf i l m s ) 的研究主要在德国的k a r l s r u c h 研究中心材料研究所进行。 t e r f e n o l d 薄膜的厚度为1 0 0 n m i 0 0 pm ，用真空离子溅射或激光溅射方法 获得，研究的重点在降低偏磁场和添加s m 和t b 以获得负和正的磁致伸缩常 数。薄膜材料重点应用在研制悬壁梁，膜片式的微执行器，应用于微型开关、 泵、阀和超声马达、共振型传感器以及可磁性调谐的声表面波器件和微机械 电子系统( m e m s ) 。另外值得关注的是关于稀土超磁致伸缩复合材料( g m p c ) 的研究，它是由稀土超磁致伸缩材料的粉末和粘结剂合成的金属基体复合材 料，此种材料提高了电阻率，大大降低了涡流损耗，上限频率可扩展到 i o o k h z ，大大扩充了在超声方面的应用，并且g m p c 材料易于机械加工，可制 成不同的形状。 1 3 3 压电复合材料 压电复合材料是9 ”将压电陶瓷和高聚物按一定的连通方式、一定的体 积或重量比例和一定的空间几何分布复合制成的压电材料。在复合材料中， 由两个组成部分构成的复合材料可以有多种连通性，用x y 来表示，例如 0 - 3 、卜3 型压电复合材料。人们经常把第一个数字x 代表压电相的连通维数， 第二个数字y 代表聚合物维数。 压电复合材料具有以下优点： l _ 声阻抗小，容易与水、人体组织等传播介质匹配： 2 机电耦合系数高，能有效地实现不同能量形式之间的转换： 3 柔软，能方便地做成各种形状； 4 脉冲回波信号带宽宽，适合制作宽带换能器； 5 d h g 、积比p z t 的高得多，非常适合制作水听器。 随着对压电复合材料的研究的不断深入，先后使用压电复合材料开发出 水听器、医用超声换能器、加速度计、乐器用的拾音器等产品。尤其用在水 声换能器，压电复合材料具有良好的应用前景，目前国内在压电复合材料方 面的研究和应用也比较活跃。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在今后的一段时间里，压电复合材料的研究主要集中在以下几个方面： 1 解决复合材料在较高压力下的退极化问题，提高材料的压力稳定性： 2 压电复合材料除d 。外的其它耦合模式的开发和利用； 3 进一步完善压电复合材料的理论模型，以指导换能器的设计、制作及应用； 4 研究复合材料的制作工艺，以提高性能，降低成本； 5 开展应用研究，扩大复合材料的应用范围等。 压电复合材料作为一种新型的功能材料，经过多年的研究和开发，己成 为压电材料家族中的一大系列。它优良的性能将使其继续成为今后几年的研 究热点，可以期望在未来的1 0 年中，压电复合材料的研究和应用将会有更大 的发展。 1 3 4 p v d f ( 聚偏氟乙烯) p v d f 是一种半结晶薄膜，具有卓越的接收声波特性。p v d f 必须经过 极化处理后才能得到压电特性，它具有很强的压电性和热释电性，而且与其 它高分子材料一样，易于制成大面积薄膜和不规则形状，尤其是其小密度、 低特性阻抗和稳定性好等特点，因此被广泛用于水听器设计中。 1 3 5 铌镁酸铅( p m n ) 电致伸缩陶瓷 近年来，逐渐发展的铌镁酸铅( p m n ) 电致伸缩陶瓷”3 ，是一种优良的 可潜在地用于低频大功率发射换能器的材料，随着其性能进一步提高和稳定 后，可望在大功率换能器方面得到广泛应用。其压电常数d 3 3 的最大值可达 1 4 0 0p c n ，最大相对介电常数可有2 0 0 0 0 的数量级，具有低的滞后，在i m v m 的电场强度下可产生1 0 0 的应变，大约比p z t - 4 大一个数量级，有大的能量 密度，可达2 2 5 k j m 3 ，其它的物理性质( 密度、强度、化学稳定性和断裂强 度) 与传统的压电陶瓷相似。这种材料的缺点是大的非线性，介电常数随温 度和频率变化，工作时需要直流极化电场。美国海军已经使用此种材料研制 了型弯张换能器，与用p z t 一8 的相比，虽然效率略低，但带宽更大。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 换能器设计的方法 有多种方法“”被用于设计低频、大功率水声换能器没有比较明确的定 义来说明哪种方法最适合于换能器设计，每种方法都有自己的利弊，这就要 求换能器设计者根据实际需要和经验柬选择合遁的设计方法。 1 4 1 经典的等效电路法 等效电路法是换能器设计的一种经典方法，通常应用于分析比较简单的 换能器或者只对复杂换能器的某部分结构进行分析的情况。等效电路法是把 机械振动、电振荡以及机电转换过程用机电类比的原理，形象地组合在一个 等效图中。其中，机械力等效为电压，振速等效为电流，同时，机械系统中 的质量，刚度( 或弹性) 和阻尼分别等效为电路中的电感，电容和电阻。通 过推导力学量( f ，v ) 与( v ，i ) 之间的关系，可以得到机械振动的动力学 方程和电路状态方程，由此可以得出机电等效电路，机电等效电路中各元件 的参数均由换能器的结构参数表示出来，然后可以根据电路分析的方法来计 算换能器的性能参数。 针对复杂的i v 型弯张换能器的设计，c d e b u s 提出了p i e c e p a l 1 等效 电路法，见2 3 1 节。 1 4 2 瑞利一里兹方法 瑞利一里兹方法是利用能量原理解决结构力学问题的典型近似计算方法 之一，其基本思想是把系统的结构位移表示成有若干个独立系数的函数，然 后由结构位移的近似函数表示系统的总势能，再根据最小势能原理，得出若 干个关于这些独立系数的联立方程组，求解后可以得到系统结构位移的具体 表达式。利用瑞利原理求解换能器问题，可以求出换能器的等效参数，然后 结合等效电路方法对换能器的特性进行分析。 1 4 3 边界元法 边界元法是根据积分定理，将区域内微分方程变成边界上的积分方程， 吸收有限元的割分近似思想，将边界离散成有限个单元，把边界积分方程离 哈尔滨工程大学硕士学位论文 散成代数方程，最后变成计算关于节点未知量的代数方程来求解问题。边界 元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，使问题的求解 范围降低一维。边界元方法可以得到准确的结果，但耗费时间较大。边界元 法用于换能器设计有以下优点： 1 对于复杂的换能器可以得到精确的模型，适用于计算无限区域内声场。 2 可以分析换能器的高阶模态。 3 可以分析换能器的物理特性。例如，换能器材料的强度和疲劳极限等。 4 对辐射声场的计算结果比较准确。 1 4 4 有限元法 有限元法是目前工程实践中大量采用的一种数值计算方法。有限元法“” 是以变分原理和剖分插值为基础的。剖分插值是把待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。 有限元法用于换能器设计，最适合应用在复杂的三维几何模型，包括各 种有源或无源材料、各向同性或各向异性、有或无机械损耗的结构。而且有 限元法还可以考虑到机械振动和外部流体的耦合作用等。 1 4 5 有限差分法 有限差分法要将所考虑的物理模型划分成网格，列出相应的微分方程及 定解条件，然后用差分代替微分进行离散化，得到差分方程而求解。这样就 把微分方程问题变成求网格节点未知量的代数方程求解问题。但由于需要得 到微分方程和定解条件的具体数学表达式，因此限制了有限差分法的应用。 有限差分法比较适用于具有规则形状区域的求解。 1 4 6 有限元与边界元综合分析方法 有限元法能对有限尺度的实际结构进行精确建模，可以用它计算换能器 内部的应力分布、谐振频率、位移分布、阻抗等特性。但由于有限元处理声 哈尔滨工程大学硕士学位论文 场时，流体水介质不能无限大，所以不能把结构细节与远场行为同时描述得 很清楚，即有限元在处理远场问题时精度受限制。边界元法的优点是把考虑 的问题仅归到边界上的有限单元求解问题，但边界元法不能精确地模拟复杂 形式换能器内部的精细结构和振动复杂性，只能处理简单形式的换能器和已 知表面振速分布的辐射声场。 将有限元法和边界元法结合起来“，利用各自的优点，既可以精确地模 拟换能器的结构振动，又能够精确描述辐射的远场特性，使计算结果更加准 确和可靠。其基本原理是将有限元方法和边界元方法在弹性结构与流体交界 面上的离散化点相匹配，从而可获得结构与声场的耦合运动方程。该方法的 主要缺点是存在频率失效问题。图1 1 0 是有限元法与边界元法综合分析换能 器问题的流程图。 有 限 元 边 界 元 实际的换能器 上 准物理模型 上 几何模型 v 提取振动特性参数 转 l求群i 7 i 和电声性能参数 化 l 位移结果i 二手一卜 边界元网格 | i 表面振速或声压分布 上 求解 - l 提取声场参数 图1 1 0 有限元和边界元综合分析示意图 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 5 低频大功率发射换能器的要求和限制 对于换能器设计者来说，在设计及制作换能器的过程中应解决的问题依 次是：降低频率、增加声源级、增大带宽和增加工作水深。在低频、大功率 发射换能器的设计中，这几方面问题经常是相互矛盾的，提高了其中一个性 能的同时，使得其它性能下降。所以，在设计中应全面考虑并兼顾这几个方 面的要求。 1 5 1发射换能器的频率和尺寸 为了获得较高的发射声功率，发射换能器必须工作在谐振频率附近。由 于换能器的尺寸和频率的倒数成正比。因此，当频率较低( 例如小于1 z ) 时，换能器将很笨重和庞大，特别是对于纵振动形式的换能器。这样，降低 换能器的频率和减小换能器的尺寸就成为相互矛盾的问题。 为了解决这一问题，由公式 厅 。2 、舌 ( 1 1 ) yl v j 其中，是换能器的谐振频率 k 是换能器整个结构的等效刚度 m 是换能器整个结构的等效质量 可以看出，降低换能器的谐振频率应使换能器具有较小的刚度和较大的 质量。目前最常用的方法是使用弯曲振动模态或径向振动模态来代替纵振动 模态辐射声波。例如三叠片换能器和弯曲棒换能器，它们的振子部分被激励 出直接与流体耦合的弯曲振动模态。相反地，弯张换能器是通过将驱动振子 的伸缩振动转换为被动弹性部分的弯曲振动向水中辐射声波。应注意到，对 压电和压磁换能器来说，弯曲模态的使用降低了换能器的机电耦合系数。当 然，即便使用了弯曲模态，只在一定程度上降低了换能器的频率和尺寸，换 能器频率与尺寸的反比关系仍然成立。 另一种解决办法是应用各种新型的驱动材料来代替压电陶瓷。例如，超 磁致伸缩材料t e r f e n o l - d 的杨氏模量大约是压电陶瓷的三分之一，应用此材 哈尔滨工程大学硕士学位论文 料制作换能器，谐振频将有所降低，尺寸也会减小。 1 5 2 功率要求 低频、大功率水声换能器的尺寸远小于波长。所以对于k a d ( 5 - 4 ) 上两式即为远场条件，其中d 为换能器的最大线性尺寸，九是换能器在 水中的波长。所以远场条件的确定就是由所考察的频率范围的上、下限值计 算出不同远场半径r 的值，取其中最大的即可。对本文来说，考察的频率范 围( 水中) 是1 6 k 2 8 k h z ，通过计算可到r 。a o 4 5 m ，所以本文中r 取 1 5 米已满足远场条件。 2 流体网格密度的控制 为了提高有限元计算的精度和速度，必须控制流体网格的密度，不能过 密也不能过琉。通常情况下流体网格密度的控制由下式确定。 詈= 九( 5 - 5 ) 其中r 是流体的最大半径，n 是在流体最大线度上的分段数，九是流体中的 波长。鲁即在流体半径方向的单元数，a 是一个系数t 由计算精度所确定， 通常要大于8 。 根据以上原则，构建了换能器的流体模型。声场和换能器性能的计算 图5 2 5 水中谐振频率处声场声压图( 加电压1 0 0 0 v ) 7 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 2 6 声源级曲线( 加电压1 0 0 0 v ，参考级o d b ：1up a v ，l m 处) 结果如下。图5 2 5 是换能器在水中谐振频率处的声压图。图5 2 6 是换能器施 加1 0 0 0 v 电压时的声源级曲线。在频率2 4 0 5 h z ，最大声源级为1 8 7 8 d b ，一 3 d b 带宽4 1 0 h z 。 图5 2 7 壳体长、短轴顶点位移振幅随频率变化曲线 图5 2 7 是壳体长、短轴顶点位移振幅随频率变化曲线( 水中) 。其中， d i s p ( t ) 表示壳体短轴顶点，d i s p ( r ) 表示壳体长轴右侧顶点( 压电陶瓷驱动 的一侧为右) ，d i s p ( l ) 表示壳体长轴左侧顶点。可以看出，d i s p ( t ) 的幅值 远远大于另两个曲线的幅值，这说明弯张壳体其有振幅放大效应，而且壳体 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的反相作用比较弱。每条曲线的趋势都是在谐振频率附近的振幅最大，此时 的辐射特性最佳，这也是为什么换能器大多数工作在谐振频率的原因。图中 下面的两条曲线并不重合，只有一个公共交点，这进一步说明单侧驱动的外 部弯张换能器的壳体两侧顶点的振动不是对称的，在频率较低时，右侧的振 幅较大，相差比较明显，高频时。左侧顶点的振幅变大，但二者相差不大。 图5 2 8 外部驱动换能器水中的电导纳曲线和导纳圆图 图5 2 9 水中谐振点处壳体体积位移随壳体长度变化曲线 图5 2 8 是外部驱动换能器水中的电导纳曲线和导纳圆图。图5 2 9 是换 能器在水中谐振点处的壳体体积位移曲线，其中横坐标是沿壳体内表面椭圆 曲线的距离，方向是由左到右。曲线上有两个极值点，将曲线分为三部分， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 左侧一部分表示的是壳体左侧反相区对体积位移的贡献，由于振动是反相的 所以为负值。中间一段近似于直线的是壳体上的正相振动，也就是换能器的 工作部分，我们希望这部分面积越大越好。第三段曲线是右侧的反相区，它 使得体积位移在峰值上又下降了一定的幅度。 5 5 本章小结 本章叙述了利用a n s y s 软件设计外部驱动弯张换能器的整个过程。从开 始阶段的设计规划、材料选择，到换能器频率特性、辐射特性和阻抗特性的 分析，全面体现了利用计算机辅助设计及进行结构优化的优点。随后，本文 对已确定结构尺寸的换能器虚拟样机的各部分性能参数进行了提取和分析。 本文还提出了利用a n s y s 软件对具有螺栓连接件的结构进行内应力分析的方 法，并且对换能器的动态应力进行了近似计算。特别是对应力的分析表明， 换能器在装配时的预应力不能超过1 0 8 m 。 从本章的分析可以得知，( 1 ) 采用变壁厚的壳体形式，在一定程度上减 小了换能器的频率，但希望通过无限减小壁厚来得到低频是不可取的。( 2 ) 长短轴比选择在2 5 - 3 0 之间，对换能器的频率特性和辐射特性都是最佳的。 ( 3 ) 压电陶瓷的体积对辐射特性有影响，但通过无限增大压电陶瓷体积来增 强辐射特性是不合适的。( 4 ) 盖板和螺栓对换能器辐射特性和阻抗特性的影 响非常明显，当结构允许时，应选择较大的盖板厚度和螺栓半径。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - i 一 第6 章外部驱动弯张换能器制作及实验测试分析 根据a n s y s 优化分析的结果，我们制作了外部驱动的型弯张换能器的 实验样机，如图6 1 。 图6 1 外部驱动的型弯张换能器实物照片 实验样机的参数如下： 几何尺寸( 最大线度) ：2 7 5 9 2 x 4 0 m m 空气中重量( 不包括电缆) ：2 1 5k g 空气中谐振频率：3 0 2 0 1 t z 水中谐振频率：2 2 1 0 h z 发射电压响应：1 4 2 d b 一3 d b 带宽：9 0 0 h z 6 1测量结果 图6 2 是使用h p 公司生产的4 1 9 4 a 阻抗相位增益分析仪测量的换能器 样机在空气中不同装配预应力下的电导纳曲线。从图中可以看出，换能器在 设计的频率范围内主要存在两个谐振峰( 空气中) ，第一个蜂值对应于螺杆的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 弯曲振动( 图5 2 0 ) ，导纳峰值较小：第二个峰值对应于壳体的弯曲振动，导 纳峰值较大。两个谐振峰的先后顺序和频率差值都与设计的结果基本吻合， 这也说明，使用a n s y s 软件对换能器的振动辐射特性进行预测和优化是可行 的、准确的。由图