（水声工程专业论文）v型弯张换能器研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i ；宣i ；i i 暑宣_ i ni i j - i i 昌i i i i i ；i ；i i ；i i ；宣i 盲昌宣暑i ； a b s t r a c t t h er o l eo ft h et r a n s d u c e ra st h el i n kb e t w e e ne l e c t r i c a la n da c o u s t i cp a r t so f t h eo v e r a l ls y s t e mi sac r u c i a lf e a t u r ei no p t i m i s i n gi t s p e r f o r m a n c e t oa c h i e v e l o n gd i s t a n c ee x p l o r ef o ra c t i v es o n a r , a n dd e t e c to b je c td i f f i c u l t yf o ri t sq u i e t i n g t e c h n o l o g y , a st h es a m et i m e ，a r r a y sa r ei nn e e do fw o r k i n gi nd e e pw a t e rf o r p r o s p e c t i n ga n dc o l l e c t i n go fs u b m a r i n eo i la n dm i n e t a n s d u c e rd e s i g n e ra r e a b s o r b e di nt h et r a n s d u c e ra n da r r a y so f l o w f r e q e n c y ，h i g h - p o w e r , c o m p a c t s i z e o n eo ft h em o s te f f e c t i v ew a y st oo b t a i nl o w f r e q u e n c y , h i 曲- p o w e r , c o m p a c t 。s i z ep r o j e c t o r si su s i n gt h ef l e x t e n s i o n a lm o d eo ft h es h e l l s c o m m o n l y , t h es t u d y o f m a i n l yo b j e c ti st h ec l a s svf e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e r , i tc o m p r i s e sap i e z o e l e c t r i c c e r a m i cr i n gs a n d w i c h e db e t w e e nt w os p h e r i c a ls h e l ls e g m e n t st h a ta r ed r i v e ni n f e x u r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o d st oi m p l e m e n tl o wf r e q u e n c y , h i g h p o w e r , c o m p a c t - s i z et r a n s d u c e r s ，t h ed e v e l o p m e n t ，s o r t sa n dd i f f e r e n c e so ff l e x t e n s i o n a l t r a n s d u c e r s t h ed y n a m i c sa n ds i g n i f i c a n c eo fc l a s sv f l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e r s a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a s i cf e m st h e o r yb r i e f l y , a n ds u m m a r i z e sa l ls o r t so f p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r sm a t r i xw i t hd i f f e r e n tp o l a r , a n de p i t o m i z e se v e r y p a r a m e t e r sp r i n c i p l ea n df o r m u l ao fa n s y s ，a tl a s t ，p r e s e n t si t so p t i m i z a t i o nt o m a k ef u r t h e rd e s i g no ft r a n s d u c e r d i m c u l t i e sw e r em e tw h e nu s i n ga n a l y s i sm e t h o db e c a u s ef l e x t e n s i o n a l t r a n s d u c e r sh a v ec o m p l i c a t e dc o n f i g u r a t i o n t h i sp a p e ru s e sa n s y st oa n a l y z e t h es t r u c t u r em a k i n gt h ew h o l ep r o c e s se a s i e ra n dc o n v e n i e n t t h ec o m p a r i s o n b e t w e e nf e mm e t h o da n dm e a s u r m e n tr e s u l t ss h o w st h a ti ti sf e a s i b l et op r e d i c t t h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a n s d u c e rw i t hf e m i nm ee n d ，ac l a s svf l e xt r a n s d u c e rw e r ef a b r i c a t e d ，t h e i m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c ，t h et v ra n dv e r t i c a ld i r e c t i v i t yo ft a n s d u c e rw e r em e a s u r e d t h e c o n c l u s i o n so ft h e p a p e rw e r e d r a wa n dr e s e a r c hd i r e c t i o n sw e r em o r e 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 d e t e r m i n e d k e yw o r d s ：f l e x t e n s i o n a lt r a n s d u c e r ；f e m ；l o w - f r e q u e n c y 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。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己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) ：欧a j 甏 日期：w7 年弓月，夕日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：欧i n 恕 e i 其j l ：砷年j l , 7 日 导师( 签字) ：讴唷 伊7 年歹月，7 日 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 随着科技的进步，特别是二战以来，各国对海洋权益的重视，水声换能 器的性能也伴随着新材料出现、新工艺利用、新方法发明得到了较快的发展。 声呐在军事上的应用始于第一次世界大战。例如水下目标的探测、定位及跟 踪、水下武器的射击及指挥、水下通讯、水雷探测、水下导航、目标识别、 水下武器制导、侦察与干扰等几乎都首先在军事上得到应用。声呐广泛应用 于民用目的是从第二次世界大战后开始的，并随着海洋事业的发展适用范围 日益扩大。除回波测深外，海底地貌测绘、海洋地质考察、船舶导航、鱼群 探测、遥控遥测等都越来越依赖于声呐。在海上石油勘探和开采过程中，在 水下石油管道铺设与定位、船舶动力定位等方面，声呐已经并将进一步发挥 其重要作用1 。 换能器在电部件与声部件之间起着桥梁纽带作用，因此它的性能提高与 优化对整个系统性能的提高起着十分关键的作用。要设计一个换能器需要考 虑电学量、声学量和机械量等多方面的因素，并把它转换成实际设计。换能 器的设计和制作是多种技能的综合。由于声能在水介质中有良好的传输，因 此这种物理现象具有广泛的用途，其中最典型的就是声纳检测和水下通讯。 在所有这些应用中，电声换能器扮演着一个十分重要的角色，它把电能转化 为声能，或者声能转化为电能。目前，水声换能器仍然是探测水下目标的最 有效手段之一闭。人们对换能器结构不断优化、性能不断提高，但随着安静 性潜艇的出现以及军事作战的需要，对水声换能器性能提出了新的要求。根 据 t l = 2 0 1 9 ( r ) + q o r( 1 1 ) s l 一2 t l + t s i t l = d t( 1 2 ) 式中：，一传播距离，l ( r i l ；口一吸收系数，d b k m s 卜声源级；t 卜传输损失；t s 一目标强度； r i 一目标反射强度； d t 一检测阈 可知，水声换能器工作在低频、大功率，同时考虑到实际应用，还应该宽带、 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 小尺寸。这也是水声工作者一直以来最求的目标之一。宽带换能器无论在军 事方面还是民用方面都有着广泛的需求。如多频声自导鱼雷与单频声自导鱼 雷相比，不仅提高了抗干扰能力，也大大提高了命中率。用宽带合成孔径声 呐，可以提高测绘速率，在一定程度上也可减少运动误差带来的影响。 通常要得到小尺寸低频换能器，利用壳体的弯曲模态，是比较有效的方 法之一，如各类弯张换能器以及三迭片换能器等。v 型弯张换能器的优点就 是利用较小尺寸可得到低频大功率声源，同时，可以根据要求，调整拼镶环 压电跟非压电材料比例，可以调整换能器的阻抗。适当改变弯曲壳体厚度以 及曲率半径，从而改变工作频率。这说明，单个换能器可以用作不同工作频 率的低频声源。 1 2 低频大功率发射换能器 1 2 1 低频大功率发射换能器的要求和限制 由于潜艇在声安静技术方面取得的进展，传统的用被动声呐探测潜艇遇 到了困难，需要用主动声呐作为辅助手段在远距离探测潜艇。主动声呐将更 为重要，低频大功率发射换能器的研究是远程主动声呐的关键技术之一。然 而，要研制低频、大功率、高效率并有较小尺寸和较轻质量的发射换能器有 很多的限制。式( 1 1 ) 中第一项是球面扩展损失传输损失t l 它随频率急剧 变化。图1 1 表示吸收损失为6 d b 的距离于频率之间的关系p 1 。由图可见，声 信号在水下要想传播到1 0 0 k i n 以外，声呐换能器的工作频率必须低于l k h z 。 另外，目标散射强度随频率的降低而减小，图1 2 表示半径为a 的刚性圆柱 对法向入射声波的散射强度的变化h ，从图中可知若要得到必要的目标散射 强度，必须k a _ l ，其中k 为波数。典型的潜艇半径为5 m ，则需要频率大于1 0 0 h z 才能得到必要的目标散射强度。因此通常的低频大功率发射换能器的优选工 作频率在1 0 0 h z 1 0 0 0 h z 。此外，远程声呐必然要求声呐具有很大的声功率， 根据文献 5 】，在1 0 0 h z 若要得到2 1 0 d b ( 参考1 妒a m ) 声源级需要4 1 0 3 w 的辐射声功率而在低频时辐射声阻抗中阻的分量很小，导致辐射到水中的的 声功率非常小，即使机械换能效率很高，总效率也将是低的，因而想要得到 2 0 0 d b 以上的声源级具有一定的难度。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 海水中的声吸收 图1 2 目标散射强度 还有，换能器的带宽对信号传输有着重要的影响。在频域，影响传输声 信号的频谱；在时域，影响信号的波形。总的来说，水声换能应具有低频、 宽带、大功率等工作特性。随着现代声呐技术的飞速发展和水声学应用范围 的日益扩大，开发研制低频、宽带、大功率水声换能器显得尤为重要，并且 已经受到大批专家学者的高度重视，近些年来各国竞相开展低频、宽带、大 功率水声换能器的研究工作，逐步成为水声领域的热点课题之一。在研制低 频声源时，成本、尺寸、重量和设计困难的程度，随着降低频率、增加声源 哈尔滨工程大学硕七学位论文 级、增加带宽和增加工作深度而增加。 1 2 2 常用的低频大功率发射换能器 目前，有多种类型的换能器可作为大功率、低频的发射换能器之用。常 用的低频换能器有以下几类峥1 ： h e l m h o l t z 共振器，这种换能器用内部充水的办法得到很大的极限工作 深度，他还有一个优点是频率可以做得非常低( 可低于l o o h z ) 。缺点是频带 很窄，而且效率很低。 t o n p i l z 换能器利用前盖板的弯曲振动增加纵向复合棒换能器的带宽。这 种换能器的优点是设计理论完善、工艺成熟、设计简单且易于批量化，缺点 是辐射声功率不高，应用时需做成大型基阵。 j a n u s 换能器，可以看作是双端发射的t o n p i l z 换能器，它的优点是机声 效率和功率质量比高、工艺成熟且易于成阵。缺点是存在频率下限4 0 0 h z ， 极限工作深度3 0 0 米。 压电陶瓷弯曲振动盘，这种换能器采用三迭片弯曲振动模式，共振频率 低，且提供较高的输出功率。具体应用时，陶瓷片采用反向驱动，当板的尺 寸较大时，压电陶瓷可采用镶嵌方式。这种换能器的主要缺点是共振频率对 内腔阻抗随深度变化敏感。 陶瓷弯曲棒换能器利用矩形板的弯曲振动模式做成换能器，他由多个矩 形板围成一桶型构成所谓“桶板”结构，以使获得大的声源级。弯曲矩形板 有两片陶瓷板粘合而成。换能器的桶板结构形成一中间空腔，通常充油以平 衡流体静压力。他可在一个倍频程的带宽范围内提供中等的输出功率，可安 全工作在几百米的深度，并有较高的效率。但是，它需要用大量陶瓷，因此 较重也比较昂贵。 动圈式换能器，它的工作原理类似动圈式扬声器，根据安培定律，通过 线圈的电流和磁铁间隙中的强磁场之间的相互作用产生的驱动力，推动一刚 性活塞运动，从而向声场辐射声波。这种换能器能提供大的线形位移，其工 作频率可以设计的很低，且有宽频带。其缺点是电声效率低，驱动力相对小， 性能随深度有较大变化。 流体动力式换能器适用于低频宽带，带宽可达到两个倍频程，可提供中 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 等输出功率，流体功率由驱动泵供给。其缺点是结构复杂，安全可靠性差。 弯张换能器是综合弯曲换能器及复合棒换能器的优点而演变出来的一种 大功率声源。弯张换能器由较大的功率重量比，也有较高的效率，但它的机 械q 值较高、设计较为困难。但现在应用较为广泛。 1 3 弯张换能器简介 最早的弯张换能器可追溯到1 9 2 9 年，当时的华盛顿特区海研究室( n i u ) 声学分部主任ha r v e yc h a y e s 发明p 1 。他在1 9 3 6 年，“发声及定向装置”专 利中揭示了弯张换能器的工作原理。在平行放置几根长度方向磁致伸缩的驱 动棒和共轴线圈的两端，通过一定的装置与两块凸形板相接而形成椭圆形结 构体。两板的尺寸为1 8 0 3 m 2 ，椭圆的短轴与长轴之比为0 4 5 ，壳厚为 0 3 2 c m 。在空气中谐振频率为5 4 0 h z 。 二十世纪五十年代中期t o u l i s 和他的同事们首次将弯张换能器应用于水 声滞1 。1 9 6 6 年，t o u l i s 的发明获得了美国专利，“弯张”这个名字就是首次出 现在这个专利之中，因为它是由驱动元件的伸张振动和壳体的弯曲振动组合 而成的。 与t o u l i s 同时代的还有两位对弯张换能器的发展做出了积极的贡献。一 位是美国海军电子实验室( 现称为海军海洋系统中心，简称n o s c ) 的f r a n k r a b b o t t ，他发明了压电陶瓷圆环驱动的轴对称飞碟型的径向辐射弯张换能 器，并获得了1 9 5 9 年的专利。另一位是h o w a r dc m e r c h a n t 发明的型弯张 换能器，他几乎和t o u l i s 同时获得了1 9 6 6 年的专利。 1 3 1 弯张换能器的分类 通常弯张换能器分为七种类型p 1 0 1 ，如图1 3 所示，他们的结构特点简要说 明如下： i 型，由一系列圆拱形弯曲梁围成一个类似于圆筒形的振动辐射面，沿长 轴方向插入压电堆或磁致伸缩棒作激励元件，激励元件的纵振动激励桶型辐 射面作弯曲振动。可以有凸型曲梁和凹型曲梁。凹型曲梁结构有两个优点： 一是整个壳体振动相位相同，二是随深度增加，激励元件中预应力增大。 i i 型，这类弯张换能器的辐射面与i 型相同，只是外壳两端加上圆柱形尾 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 锥，一方面可以展宽频带，同时又可以通过增加有源元件的长度来提高辐射 声功率。 i i i 型，相当于两个i 型叠加，利用多个曲面的多模特型展宽频带，因为 样子像葫芦，所以又称为“葫芦式 。 型，这类弯张换能器的辐射面是一椭圆管，沿其长轴方向插入激励压 电陶瓷堆或磁致伸缩棒，驱动元件的纵振动激励椭圆壳体作弯曲振动。 v 型，驱动元件为一压电陶瓷圆环或圆盘，圆环或圆盘的径向振动激励 两个局部球壳作弯曲振动。 型，它是v 型的改进，将椭圆球壳做成凹型，这种结构体积更小，整个辐射面振动相 位相同，预应力随入水深度增加而增加。 型，它是型弯张换能器的改进，将椭圆柱面做成凹型，这种凹型结 构同样可以改善预应力状态和使振动同相，同时还可以展宽频带。 还有一种分类方法是将i 型的凹壳换能器提出作为i 型，而将葫芦是单 独列出。 弯张换能器的共同特点： ( 1 ) 弯张换能器都是利用驱动元件的纵振动来激励辐射面作弯曲振动， 因此都具有频率低的特点。 ( 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。静水压会使凸型结构 中的激励元件上的预应力随工作深度的增加而减小，而凹型结构中的预应力 随工作深度增加而增加。因此，具有凹型结构的换能器的极限工作深度要相 对大一些。 ( 5 ) 具有凹型结构的弯张换能器在振动辐射面上位相相同，而凸型壳体 的辐射面上存在反射区，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，因而具有凸型结构的弯张换能器仍能产生大的辐射声功率。 6 型坚兰丝：兰篁兰! ： c l a s si 耐念 蜮痧 c o n v e s n e s c q r l c a v e , s h e l l 5 圈13 弯张换能器种类 13 1 现代弯张换能器的发展 随着现代声呐技术的不断发展，在实际应用中对弯张换能器提出了很多 要求( 那低频、大功率、宽带、深水、稳定性、小尺寸、重量轻等) ，因此研 究人员的工作重点集中在以f 你各方面”。i ： ( 1 ) 采取各种深度补偿手段，提高换能器的工作极限深度。 ( 2 ) 改变振动壳体结构与材料，增加体积位移。 哈尔滨丁挥大学硕十学位论文 ( 3 ) 使用新型驱动材料，提高声功率。 ( 4 ) 采用非对称振动辐射，获得空间指向性。 ( 5 ) 运用先进的理论设计方法。 常用的深度补偿手段主要有以下几种： 自支撑结构。用有一定厚度的材料做成换能器的壳体，靠密封的壳体来 承受静压力。这种结构的优点是简单、使用方便、释放效果好，但由于壳体 结构和驱动结构的限制，一般工作水深在3 0 0 米以下。 在密封的壳体内注入压缩空气可以平衡静水压，但由于低频弯张换能器 的内腔很大，因而高压气体也许要很多，在大深度使用时，高压气体系统变 得复杂并有安全问题。 用液体填充密封腔体也可以平衡静水压，但换能器会变得较重，并需要 大的驱动力。 一个折中的方案是在液体填充密封腔体中加入密封空气填充的椭圆金属 管来增加柔顺性。其缺点是工作深度受顺性管抗静水压的限制。 自由浸没式换能器是大深度工作的优选方案，但这种结构设计较为复杂。 在改变振动面结构方面有一种方法3 1 ，用一种正交压电堆激励四个局部 柱面产生弯曲振动，在有限空间内增大了辐射面积和有源材料体积，提高了 辐射声功率。 弯张换能器的理论和设计是一个比较复杂的问题。从结构动力学和弹性 力学的角度来看，壳体的振动是一个经典的问题。j n b o o n e 和l h r o y s t e r 将弯张换能器的拱形壳体分离成一组变截面曲梁，并把原来的连续体的振动 问题转换成许多个不等质量的多自由度振动问题，利用这个离散系统求问题 的近似解，这种方法对结构模型和力学模型都作了简化。j a m e sr r u t l e d g e 等任何r a l p ha n e l s o n 等人以类似的方法对型和v 型弯张换能器作了研 究。在七十年代初期，逐渐发展起来并日趋成熟的有限元法( f e a ) 首次被 应用于压电体的振动分析，这是声学换能器设计上的一大进步。中国科学院 声学研究所莫喜平研制了鱼唇式弯张换能器，并利用f e a 法对其进行了计算 1 1 4 - 1 6 ，b h a m o n i c 研究了环型弯张换能器，j cd e b u s 用f e a 法对型弯张 换能器的振动模态作了分析研究，都与实验结果吻合得较好。 用f e a 法可以设计和分析任意结构形状的换能器。有限元法将所考虑的 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 结构空间划分为有限个单元，并按某种原则确定物理量在单元上的分布，最 终得到以数值形式表示的物理量在所考虑空间上的分布，它很自然的考虑了 各单元之间的耦合。单元划分是关键，它决定了求解的精度。对换能器设计 者来说，用f e a 法可以研究换能器的谐振模态、振速分布、静态动态应力及 声输出特性。 驱动元件材料的不断革新，是现代弯张换能器的另一个主要发展趋势。 在二战期间，h a y e s 用磁致伸缩镍驱动棒，为美国海军设计了一个抗震型的 t o n l i z 换能器。五十年代初，当大功率、温度稳定性好的压电陶瓷一出现， 这种磁致伸缩驱动材料就被它取而代之。压电陶瓷至今仍被广泛地应用于弯 张换能器的设计中。磁致伸缩驱动元件换能器一直被遗忘了，直到稀土铁合 金磁致伸缩材料出现后，又重新引起了人们极大的重视。 三元稀土铁合金在常温低磁场下有很大的磁致伸缩系数，以商品牌号 t e r f e n 0 1 d 为代表。t e r f e n 0 1 d 的应变值很大，比镍大4 0 5 0 倍，比p z t 压电 陶瓷大5 8 倍，因而在低频下可以使水声换能器获得很高的体积速度和声源 级；能量密度高，比镍大4 0 0 5 0 0 倍，比p z t 压电陶瓷大1 0 1 4 倍；耦合系 数大，有利于换能器的宽带高效率工作；声速低，比镍小3 倍，约为压电陶 瓷的1 2 ，有利于换能器的小型化设计；居里点温度高，工作性能稳定。对大 功率而言，即使瞬间过热都将致使p z t 压电陶瓷的永久性极化完全消失，而 t e r f e n 0 1 d 工作到居里温度以下只会使其磁致伸缩特性暂时消失。由于上述 特点，用此种材料制成的换能器适合于远程声呐和其他水声系统中应用。有 人预言，在2 0 0 h z 2 0 0 0 h z 频带中工作的水声换能器的驱动元件，将由此种 新型的超磁致伸缩材料来取代。 在获得指向性方面，基本思想是采取非对称辐射面振动方式。一种方法 是采用单边辐射弯张换能器，利用纵振动压电堆激励单侧椭圆管辐射面作弯 曲振动，产生前后响应级差1 0 d b 的指向性辐射。另一种方法是在弯张换能 器中采用一对平行压电堆，这一对压电堆同时作纵振动和弯曲振动，激发椭 圆壳作全向辐射和偶极子辐射，叠加后形成“心形线指向性图。研究者提 供的换能器工作频率为9 0 0 h z ，单个换能器前后响应级差在3 0 d b 以上。 9 固群i 罔15 “碟形”换能群 喻尔滨j 稗人。颂十学位沦立 幽16 为拼镶圆环的径向振动驰动弯曲壳体振动，水文的研究也是基于 此原理。其优点是能得到较好的水平指向性。下面主要介绍此类v 型弯张换 能器的发展。 图16v 型弯张换能器 v 型弯张换能器由2 个球型壳体一部分及驱动振子组成的换能器。在上 世纪7 0 年代中期，d r e a ( 火西洋防御研究中，t l , ) 对采用l r 】型壳体r s p ( 环 壳体发射换能器) 在大功率发射、深度补偿方而已经取得了一些进展1 。 d r e a 的有限元分析软什m a v a r f 对分析r s p 来说足一个很有价值的工具。 新的设计包括壳体可互换，结构更可靠。v 型弯张换能器如图16 所示，上 下分别为弯曲壳体，中削拼镶环由径向极化压电陶瓷与小锈制块拼镶而成， 最初由最初是荚围海军电子实验室现在称为海洋系统中心研制成功。后球加 拿大的大西洋防御研究中心( d r e a ) 对采用凹型壳体r s p 在大功率发射、 深度补偿方面已经取得了一些进展，采用压力补偿系统主要可以使换能器j 一 作在更深水域。 d r e a 研制的第一个低频v 型弯张换能器t 作频率在6 0 5 h z ，3 d b 带 宽1 0 7 h z ，源级2 0 15 d b ( r e f - l u p a ) 换能器直径3 6 0 r a m ，重量1 9 k g 。 在北大西洋的声传播和发射实验中，d r e a 采用了2 个更大尺寸频率为 2 0 5 h z ，类似设计的换能器组成二元垂直阵，水深3 0 m 时，源级为2 0 6 d b ，频 率2 0 5 h z ，电声效率9 0 。频率为2 0 5 h z 的r s p 换能器，他们第一次利用 m a v a r t 有限元辅助设计的。软件预报壳体频率为2 0 0 h z 。从此，m a v a r t 在设训换能器方面，被充分证明是一个很强大的工具。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在水声领域，设计低频大功率换能器通常采用弯曲振动模式，相同尺寸 和重量前提下，采用压力补偿系统可工作在更深水域。近来对r s p 系统研究 主要是提高可靠性，增加输出功率，提高工作深度。如采用静压力补偿设计。 起重要作用的是内部冲水气囊，外部是凸型铝壳可以将干燥的压缩气体。可 见在国际上，已经对v 型弯张换能器的认识达到了一定的层次。并应用于吊 放声纳等系统上，同时，也可以作为低频声源，由于其尺寸小，便于携带， 相比其他类型弯张换能器，它的辐射面是轴对称，所以在水平方向上无指向 性，具有一定的优势。 1 4 本文研究的主要内容 弯张换能器的种类很多，以v 型弯张换能器为主要研究方向，对其进行 优化设计、结构以及工艺研究、制作、测试。 换能器及其基阵的声学特性分析方法很多，最常用的方法有：解析法、 有限差分法、边界元法和有限元法等。由于v 型弯张换能器结构的复杂性， 采用传统的解析法求解将非常困难。因而，本文将以有限元设计为主，对v 型弯张换能器进行分析，主要研究内容如下： ( 1 ) 通过查阅相关资料，了解v 型弯张换能器发展以及工作性能 ( 2 ) v 型弯张换能器的工作频率主要由壳体的弯曲振动决定。而换能器 性能由拼镶环性能及壳体决定。通过a n s y s 仿真计算，设计合理的环以及 壳体厚度、弯曲半径。 ( 3 ) 利用解析法对拼镶环换能器性能进行分析，总结拼镶环换能器厶 ( 工作频率) 、q ( 品质因素) 、几何尺寸等主要因素。 ( 4 ) 由于v 型弯张换能器的结构既包括了拼镶环结构，又包括了弯曲 结构，因而制作工艺存在相当大难度以及不确定性。研究v 型弯张换能器制 作工艺。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章v 弯张换能器的理论分析 2 1 换能器的常用设计方法概述 通常换能器的设计方法总结起来大致有以下几种卅口0 1 ：等效电路法；有 限元方法；瑞利一里兹法；有限差分法；边界元法；有限元与边界元综合分 析方法。 等效电路法是从被动方程、压电方程、传输线理论出发，针对某种具体 类型的换能器在作出合理的假设的基础上，推导力学量( f ，y ) 与电学量( v i ) 之间的关系，从而得出机械振动方程和电路状态方程，采用机电模拟的方法 得出机电等效电路。其等效电路中各组件( 电阻，电容，电感等) 的参数均 由换能器的结构参数( 包括几何参数、材料参数等) 表示出来，于是可以根 据电路分析方法来计算换能器的各个特性指针。这种方法简单、直接、物理 意义清晰，且有一整套的电路分析原理可以借用。这种方法在换能器设计中 一直起着重要作用，即便是现在仍然还有许多换能器设计者愿意采用这种方 法，来分析各种换能器，如长方片、圆管、圆片型换能器等等雎1 1 。 有限元方法是以变分原理和剖分插值为基础，对实际模型进行离散化、 构造插值函数，通过物理上的近似，认为实际点的行为是由相邻节点行为的 插值关系来描述，于是把实际的物理问题离散化成求解节点未知量的代数方 程组求解问题。 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，由最小势 能原理确定的极小条件得出若干个关于这些独立系数的联立方程组，求解后 便可以得到系统结构位移的具体表达式。在瑞利一里兹方法中所选择的函数 要求满足运动边界条件，而不一定必须满足力边界条件。瑞利一里兹方法可 以用来处理换能器的结构振动问题，与等效电路法结合起来可以进一步分析 机电转换及声辐射问题。 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 哈尔滨工稗大学硕十学位论文 nn|l 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，即微分方程和定解条件 需要已知，在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，只适合于处理结构相对简单、几何形状比较规则的换能器类型。 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点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元单元求解问题，使问题求解 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直接计算，边界元法在解决场问题中应用广泛。 其实声学中的h e l m h o l t z 公式就是积分定理的应用，他把场点的势函数表示 成边界上势函数及其法向量导数的积分形式，可用来求解换能器的声辐射问 题，如利用h e l m h o l t z 公式分析活塞式换能器的辐射问题。边界元法单独使 用解决换能器问题有一定的局限性，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，它只能处理简单形式的换能器及己知表 面振动速度分布的( 任意表面形式) 辐射声场计算问题。 由于有限元方法在处理远场声辐射问题时，精度低、计算量大；而边界 元方法不便于用来模拟复杂结构振动体的细节，将这两种方法综合起来，利 用其各自的长处，互补其不足，既能恰当模拟振动体结构细节，又能精确描 述辐射远场行为，提高计算精度和计算速度。 由于v 型弯张换能器振动结构较复杂，用传统的电路等效法分析要受到 限制，而有限元法则不受结构的限制，尤其使用有限元软件后，更大大加快 了从建模到求解的一系列过程，从而使设计过程变得更为简单。在本文中就 采用有限元软件a n s y s 对v 型弯张换能器进行设计分析口列口引。而对于驱动 元件的拼镶圆环，利用解析法与有限元法进行对比分析。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2v 型弯张换能器模型 图2 1v 型弯张换能器模型 v 型弯张换能器有上下壳体以及中间振子组成，振子通过电极片、压电 陶瓷、铁块拼镶而成，如图2 1 所示，为v 型弯张换能器的结构示意图，弯 曲壳体为球冠的一部分，拼镶环的俯视图如图2 2 所示。 图2 2 拼镶环示意图 哈 ；滨工程人学坝t 学位论文 对图21 进行简化得到换能器物理模型，不考虑灌注层、粘结剂等的影 响，只包括弯曲壳体以及拼镶园环。f 面利用解析法对拼镶环以及换能器的 进行分析。 2 3 拼镶环的工作特性 2 31 切向极化拼镶圆环换能器的工作特性分析 通常切向极化换能器均由n 个同样尺寸的陶瓷片镶嵌而成，它的极化方 向沿切线方向”。在电路跌结时，应注意使各段的极化方向与激发电场的极 性相一致，以便所有元件的振动形式一致。这种形式的换能器有下列优点： ( 1 ) 它具有较大的几点耦合系数：( 2 ) 避免烧结大型压电陶瓷圆柱工艺上的 困难。为了弥补这种镶嵌环在结构t 存在强度差的缺点，通常在它的四周包 敷环氧玻璃布，以便增加它的强度换能器。切向极化压电网杜换能器的等效 图如图23 。 图2 3 切向极化压电圆柱 假设所设计的换能器避免了径长耦合振动，则在研究圆柱的基膜振动 时，可获得很简单的振动方程。它的压电方程为 盐= s ：瓦+ d 3 3 e 2 ( 2 1 ) “ d 2 = 如3 正+ e 2 ( 2 - 2 ) 其中，e ：和，2 各表示沿切向的电场强度及切应力ia 为平均半径；鼻为 径向位移，把( 2 - 1 ) 写成 兀：乓+ 警 ( 2 3 ) 甜品s 品 当我们考虑在进行机械振动时的机械损耗，因此在振动时必须存在一个 阻尼力。当我们不考虑径长耦合振动，薄壁圆柱几乎是一个理想的单自由度 的径向振动系统。令柱长为了l ，柱壁厚为t ，则它的质量为p 0 2 r m l t 。若圆 柱在某一瞬间受到外力激励产生径向伸张位移争，并以径向速度d 亏r d t 进行 振动，壁中应力t 2 所产生的总的径向力为一2 尢l t t 2 ，这个径向力将与阻尼力 r m d 芎d t ( i k 为机械阻) 及使圆柱质量产生加速度的力m d 2 亏d t 2 相平衡，即 m 簪饯警一2 鸩 ( 2 - 4 ) 把式( 2 3 ) 代入式( 2 4 ) ，则可得 聊簪如警岳= 警 协5 ， 其中c 。= 日s 三( 2 ；r l t ) ，为圆柱的柔顺性。 上式为整个圆柱的径向振动方程式。 倘若圆柱外表面与液体介质相接触，则它的振动方程式应为 ( m + m s ，簪堋川尺，警告= 警 协6 ， 其中m ，为液态介质的共振质量，r 尺为辐射声阻 如果外电场作谐和变化，则 洲警圾 ( 耻士例缈一石1 ) 亿7 ， 倘若整个圆柱由n 片陶瓷镶嵌而成，每片陶瓷厚度为l 。，则l 。= 2 a z c n 。 如果在电路上将每片陶瓷并联相接，则e ：= v l 。= n v ( 2 a x ) 。令机电转换 系数为p ，则依据式( 2 7 ) 可知，其9 应为( 2 7 r l t d 3 3 培2 a r c ) = ( n l t y o f ) l a 。 其中蹭为杨氏模量，它为s 要的倒数。因此式( 2 - 7 ) 可写成 和删卜十一一划1 协8 ， 1 7 哈尔滨工程大学硕七学位论文 从上式可以看出机械谐振频率为 国，= i 4 ( m + 聊，) c m 利用式( 2 3 ) 代入( 2 2 ) 得 d 2 ：d 3 3 y o es ，+ s 互( 1 一七嘉) e 2 其中k 。，为机电耦合系数 磕：筚2 e 6 3 3 通常k ，比如。大很多。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 通过圆柱的电流，是望乘电极总面积n l t ，利用( 2 1 0 ) 可得 口r ，= j a ) c o v + 西瓦而篙而c 2 m ， 其中c 0 为静态电容。它为 c 。：掣s 五( 1 一j i 三) ( 2 - 1 3 ) 2 a 万 因此，它的等效电路图为图2 3 。 图2 3 拼镶环等效电路图 2 3 2 金属和压电陶瓷混合镶嵌式换能器工作特性 水声设备的发展一直以来都围绕低频、宽带、大功率。由于新型水声设 备利用超距传播的信道，它的工作频率很低，因此要求人们能制作大型的低 哈尔滨工稗大学硕士学何论文 频宽带声源。这种声源可以通过金属和陶瓷进行镶嵌成圆柱形的压电换能器 来实现。它的结构如图所示。 图中o 表示金属，3 表示压电材料。我们假定有n 块金属材料，又有1 1 块沿切向方向极化的压电材料。令截面积为a ，厶，厶分别代表金属、陶瓷 的圆弧长度；p 。，p 。各代表金属和陶瓷的密度。因此圆柱的质量 m = 刎( 厶p o + l c p c ) 。令圆柱的平均半径为a ，则2 a n ：= n ( l o + l 3 ) 。 对压电陶瓷的压电方程为 s 3 = s 嘉瓦+ d 3 3 e 3 ( 2 1 4 ) d 3 = d 3 3 t 3 + s 五e 3 此处s 和五代表沿圆周方向的应变和应力。对于金属材料，它仍然服从 虎克定律s 。= 8 0 3 五is 。为沿圆周方向的应变，s 。，为材料的柔顺性。 当圆柱沿半径方向产生径向位移f ，圆周所引起的增量为 2 ( a + 孝，) 万一2 a r c = 2 善，万 因有n 片陶瓷和n 片金属块，而他们沿着圆周方向的位移各为n x ，及f i x 。， 而= s o l o ，x 3 = s 3 l 3 ，因而 2 f ，万= ，o + f i x 3 = n ( s o 三o + s 3 l 3 ) 利用式( ( 2 1 4 ) a ) 及s o = s 0 3 五代入上式得 2 善，万= n l 3 ( s 品己+ d 3 3 e 3 ) 十n l o ( s 0 3 ：己) 即 鼻= 瓦1 三。+ s 要三，k 捌3 3 l 3 e 。) 也就是 翻一翮n d 3 3 l 3 e 3 = 五( 2 - 1 5 )砥万碉一砥i 碉刮3 我们知道圆柱的质量为m 。当我们考虑到机械损耗及声辐射时，径向振 动方程为 ( m + m s ) 簪州一r 噜删五= 。 嗡尔浜上栏大字坝十字何论又 ( m + m s ，等+ c r m + r r ) 警t + 毒= 石2 形l d 而3 3 l 3 e 3 c ：= 盟篙盟 c = ，为镶嵌柱的柔顺性。 鼻：j 型缉出盘呜 ( 2 - 1 6 ) 如枷一小肌归一壶i ，2 2 z ( m + m ) c 将( 2 1 5 ) 代入( 2 - 1 4 ) ，对时间求导数，并利用( 2 - 1 6 ) 可得输入导纳 h 志) + 老符均泣1 7 ) c 。：( 华) ( 1 一尼刍) 弘鬻2 毒 协 = ( 2 尼4 d 3 3 ) ( s 0 3 l o + s 嘉三3 ) 其中c o 为静态电容，k 够为有效机电耦合系数；矽为镶嵌圆柱的机电转 换系数。则式( 2 1 7 ) 可改写为 l ，= 瞩+ r m + r r + j i ( m + m s ) c o c m c 0 1 2 - 1 9 ) 械谐振频率附近的q 。可表示为 瓯= ( r 。+ r 尺) c ：c o ，( 尺。+ r r ) 上式中缈，是忽略了m ，时的谐振频率，即 缈，：，一：f 鱼鱼一 ( 2 2 0 ) l 叠c 二口( j 0 3 o + s 嘉三3 ) ( p o l o + p 3 l 3 ) 利用式2 1 8 ，2 1 9 及2 2 0 可得 生壶_ ：! 墨型墨墨! 垡刍竺墨2 从上式可发现：它与非活性材料( 金属或塑料) 的特性无关，仅与压电 陶瓷的特性及( r 。+ r 。) 有关。倘若保持压电材料的特性及尺寸不变，利用增 加非活性材料降低工作频率，由于( r 。+ 尺只) 变化较小，将降低尼盯和提高q 。， 均将损失部分辐射工作特性，例如，当有源材料的弧长一定时，共振频率降 低一个倍频程且q ，不变时，耦合系数将减少2 倍，如果k 。不变，则绋值将 增加一倍。当然改变谐振频率，可以改变r 值，也可以改变辐射负载抗，哪 么q ，值也跟着变化。 当压电陶瓷的数量给定，加上无源材料后使环的周长增加时，则可得到 较大的辐射面积和较大的辐射阻口5 1 。相反，如果半径不变，2 厶用2 n r t 一比。来 置换，那么该结果就依赖于取代有源材料的无源材料的多少了。因此，当 厶= l ，共振频率降低同一倍频程时，q 。将减少4 倍。如果用铅作为无 源材