（水声工程专业论文）双前盖板换能器研究.pdf

嗡尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t b r o a d b a n dt r a n s d u c e ri sw i d e l ya p p l i e di nu n d e r w a t e ra c o u s t i ct e c h n o l o g y t h eb a n d w i d t ho ft h et r a n s d u c e rd o e sn o to r a yr e l a tt ot h es p e c t r a la n ds p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c so fa c o u s t i cs i g n a l ，b u ta l s od e t e r m i n et h ed a t ar a t e , r e l i a b i l i t y , c o n f i d e n t i a l i t y , a n di n f o r m a t i o nc o n t e n to fe c h os i g n a le t c a c c o r d i n gt oas y s t e m ， t h eg a i no ft h ea r r a yc a na l s ob ei m p r o v e db yt h ei n c r e a s eo ft h et r a n s d u c e r b a n d w i d t h m u l t i p l e * m o d e w c o u p l i n gi se a s i e rt oa p p l i e do nl o n g i t u d i n a lv i b r a t e s t r a n s d u c e rt ow i d e nb a n d w i d t hc o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e s , a n do n eo ft h i st y p e h a sm o r ea d v a n t a g e sl i k es t u r d i e rs t r u c t u r e ，h i g h e rr e l i a b i l i t y , s i m p l e rm a n u f a c t u r e p r o c e s sa n da p p l i c a t i o n m e c h a n i c a ls y s t e ms u c hl i k eh 。甜m a s sa n dc o m p l i a n ts e c t i o ni si n t r o d u c e d i n t ot r a d i t i o n a lt o n p i l zt r a n s d u c e rt oi m p l e m e n tad o u b l eh e a dm a s st r a n s d u c e r s ， w h i c hi sa b l et os t i m u l a t et h ef i r s ta n ds e c o n do r d e rv i b r a t e so nl o n g i t u d i n a lm o d e o fat r a n s d u c e r a ne q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mi sp r o v i d e di nt h i sp a p e rb a s e do n c a s c a d et h e o r y t h ep a m m e t e r so fh e a dm a s sa n dc o m p l i a n ts e c t i o na r ea l s ot u n e d b ya n s y s ，w i t l lt h ed e c r e a s eo fv a l l e ya m o n gr e s o n a n c ep e a kc a u s e db y c o m b i n a t i o np r e - s t r e s so fb o l tv i b r a t e so nl o n g i t u d i n a lm o d e , t h er e s p o n s ea n d f r e q u e n c yo ft h ev i b r a t e s ，t h eb a n d w i d t hp e r f o r m a n c e sa r ea l s oi m p r o v e d t h e p r o t o t y p ei sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fw h i c h i st e s t e d v i ae x p e r i m e n t a t i o n s 。ab r o a d b a n dt r a n s d u c e ra ta b o u to n eo c t a v ei si m p l e m e n t e d c o m p o s e dw i t ht h ef i r s t ，s e c o n do r d e rv i b r a t e so nl o n g i t u d i n a la n dt h eb o l t v i b r a t e s 。t h eb a n d w i d t hi n5 d br a n g ei s8 19 k h z , t h ep e a kt m n s m i t t i n gv o l t a g e r e s p o n s ei s 14 8 d b ，h i g h e s tv a l u eo fc o n d u c t a n c ei s3 2 m s ，w h i c hb a s i c a l l y c o r r e s p o n dw i t ht h e o r e t i c a lp a r a m e t e r s 。 k e y w o r d s ：b r o a d b a n dt r a n s d u c e r ；d o u b l eh e a dm a s st r a n s d u c e r ；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。本入完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：? 长强 日期：1 御t f 年3 月留日 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。 本入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 个胃后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部f 作者( 签字) ：纭强 e t 期：渊气年? 月f 矿日 晗尔滨工獠大学硕士学侮论文 第1 章绪论 1 1 引富 孝波是蠢翔的唯一麓够在裘孛远躐离传播酶手段。隶声学楚声学酶一个 分支学辩，它主簧研究声波在水下的产生、传播和羧收，用以解决与水下曩 标探测和信息健输过程有关戆翔趱h 1 。 水声换能器魑发射和接收水中声信号的装置，鼹进行水声学研究的核心 设备嘲。水声换能器技术楚一门综合技术，涉及到声学、电磁学、光学、振 动、材料、化学、流体力学等多种学科。其研究具有穰强的理论性和实践性 麓特点。 “ 2 0 世纪6 0 年代良来，为了实现声呐髂远程探测，产生了不少薪的换能 材料、结构振动方式和换能规理；发震了工幸拳在低獭、宽带、大功率朔深水 中匏发簿重器，具有赢灵敏度、宽带、低臻声等牲麓的永嚷器；塞褒了多静新 型的水声换能器，如复合压电陶瓷水听器、凹型弯张换能器、利用衷姆霍兹 共鸣器原理割残龅低频水媾器、应用越流开关技术鲍调割流体式换能器、声 光换能器等净瓣。 近年来宽带水声换能器一直是娥蠹学者粒技术人员研究的熟点，基于不 网祝理、不丽结构的宽带换藐器层出不穷，这些换戆器在海洋资源开发及规 船装备中得到了广泛的应髑群疆。 l 。2 研究宽带换麓器的意义。 换熊器宽带性能主要通过邀导、发射匙摧嚷应( 发射型) 戢接收灵敏度响 应( 求昕器) 来体现，至予电流响应带宽帮功率响应带宽都是觚毫导、奄压响 应带宽换算褥来。发射电愿响应至少包含了以下凡个方面麴概念：( 1 ) 在每一 频率点一定毫压下，换麓器吸收了多少电功率；( 2 在此频率下畜多少毫功率 转纯戒声功率( 效率) ，( 3 ) 在此效率上发出的声功率又以怎样的指向性聚集声 辘，在一米楚产垒了多大熬声压玎。藏放发射电垂确应酶禽义上讲，它更熊 袭征换熊器的带宽性能。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ii i i 1 i i i i 黼i i i i 鞘黼i i i i 黼i i i 宣 宽带换能器有很多的优点。首先，换能器的带宽对信号传输有着j 扛常重 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。图 l 。l 给出几种不圊带宽换能器的信号传输，最上面的图形是不同带宽的传输 响应，中间的图给出单频脉冲的谱，下面的图是信号的波形。从图中可以看 出，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。 其次，换能器能够宽带发射，使发射信号不局限于单频脉冲，还可以发 射调频信号。尤其对于通讯声纳和水下机器人，宽带换能器可以提高信号的 传输速率、提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。在图像声纳中增加换 能器的带宽也可以大幅度提高回波的信息量，提高分辨力和图像质量，有利 于目标识别与参数估计。水声对抗中运用宽带换能器构成的宽带阵，在多个 频率点进行收发，可以提高抗干扰能力，使命中率大大提高。此外，对于整 个收发换能器系统来说，换能器工作带宽的增加还可以提高阵的增益。 ( a ) 不嗣蛰窒的传输晴应 囡圆圆圃 圆圆田田 幽恻幽幽 厂 厂 厂 厂 1 。一1 ，。一 。一1 。一 圈1 1 不同带宽的传输响应 总之，研究宽带换能器对军事和民用技术的发展都有重要意义瑟辩。虽然 出现了大量结构和类型上不同的宽带水声换能器，并在不同应用场合发挥着 各自的特点，但纵振式宽带水声换能器仍以其结构特点及功率和效率方面的 2 哈尔滨下程大学硕士学位论文 优势运用的最为广泛。 1 3 纵振换能器拓宽频带的几种方法 能够产生多模多谐振的方法主要是在一个振动系统中产生两种以上模态 酶振动或者是调节一种模态的二次、三次倍频与基频间隔p 趣。不同模态或阶 次的组合频率响应不产生间断和过深的凹谷以实现换能器宽带工作，实现原 理如图1 2 。下面介绍几种常用纵振式宽带换能器。 五磊频率 图1 2 多模态耦合宽带换能器实现原理 1 3 1 纵弯耦合宽带换能器 级弯藕合宽带换能器是利用缀淘振动稆弯曲振动相结合的多模振动换能 器，该换能器具有结构简单、频率低、重量轻、尺寸小、设计理论成熟和容 易制作等特点。主要利用前盖板厚薄、直径大小和锥度或在前盖板上开槽的 方法获碍不同的弯曲频率，也可剥用压电陶瓷和弹性材料横向收缩不同来获 取横梁的弯曲振动，结合纵振模态的位置和产生的响应，达到拓宽换能器频 带的翟的。如妇。舄醺e r 设计了一种如霆1 3 所示的方盖板t o n p i l z 换能器， 纵振动频率为7 8 k h z ，弯曲振动频率为1 3 9 k h z ，在5 k h z 。2 0 k h z 的频带内发 射响疲的起伏为9 d b f 舅。 3 发射电压响应 竺尘篓! ；堡尘兰至圭茎垒鎏兰 图1 3j o h nlb u t i e r 设计纵弯换能器 在设计中，如何有效地选择和控制纵振频率、弯曲频率和响应幅度是关 键的技术环节和难于解决的问题”“”。由于这种换能器弯曲频率受边界条件影 响很大，成阵后性能变化较大且耐静水压能力也不强，故在深水工作时需要 采取适当的压力补偿措施。 1 32 匹配层宽带换能器 在中低频宽带水声换能器中，引入匹配层是常用的技术”。带匹配层的 纵向振动换能器如图1 4 所示。 图1 4 带匹配层纵振振动换能器 一般纵向振动换能器的前盖板所选用的材料是硬铝，其特性阻抗与水相 差很大，阻抗不匹配就会影响能量传输。匹配层技术就是在纵向振动换能器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 麓i 宣i i i 一一iiill i i i i 黼i i i i 的辐射面表面与水之间增加一层或数层具有一定声特性阻抗的材料层。无匹 配层时，水负载产生的阻抗就等于换能器表面上的反应阻抗：加匹配层后是 水负载透过匹配层产生的反应阻抗，加匹配层屠改交了换熊器辐射表面的反 应阻抗，正由于阻抗中“抗”的差异产生两个靠近的谐振峰才展宽了频带。 中低频飚配层换能器为了保证纵向模态的纯正，辐射面一般都很小，导 致辐射抗在工作频率范围内变化较大，因此在设计匹配层参数时要考虑辐射 抗的影响附朝。在实际应用中，匹配层换能器通常要包敷水密层，且一般要组 成阵列使用，这些都会对原有的单个换能器的性能产生很大影响，因为匹配 层作为阻抗变换器，外界微小的阻抗变化经匹配层放大后都会导致阻抗的巨 大变化，医此匹配层换能器在组成阵列使用时必须要考虑互辐射的影响。 l 。3 3 单端激励换能器 对于复合棒换能器，压电陶瓷的激励方式也对其性能有着重要的作用唧1 。 三兰 二丑巨口二至二圈巨 三 三狙 ：f 陡：j 碍二=叶卜卜 千f ： ) 心 j l o llli l、- o h 卜f 手孓 一- i l 叶啦一h 牲# _ ， o 日 槲一靖曩吝酌位苷分布置 弋二h o b 精 一 噼i 瞪 一暹喜。毒舞卜- 氏 一沁侈i n l “卜一卜音k i i 嘈一h 。啪畸# h _ f - l 匕 兰瞬曩杏豹位咎势布蕾 图l 。5 压电陶瓷堆的前三阶纵振动模态的位移分布 图1 5 给出压电陶瓷堆的前三阶纵振动模态的位移分布，第一阶和第三 阶模态的位移关于中心位置对称，丽第二阶模态的位移不是中心对称，由予 各阶模态位移分布的差别，导致了不同激励方式对备阶模态的贡献不一致。 在左右同相激励时，可以激励出第一阶和第三阶纵振动模态，不能激励出第 二阶纵振动模态。箕原因是奇数阶纵掇动模态是左右对称的，蔼偶数阶模态 左右不对称，左右同相的电激励只能激励出位移对称的奇数阶振动模态，无 法激励出偶数阶模态。为了激励出第二阶纵振动模态，需采用左右反相的电 激励。如果将两种激励叠加在一起，前三阶纵振动模态全部被激励出来，发 射电压响应曲线也比较平坦矧。 哈尔瞑丁程大学硕士学位论文 单端激励换能器包括前后两组压电堆，后侧的压电陶瓷堆作为换能器的 主要激励，可以激励出前三阶纵振动：前侧的压电堆的作用是调节谐振频率 和发射响应。 13 4 双前盖板宽带换能器 取前盖板换能器在不改变激励方式的情况下，仅通过引入附加质量块与 柔顺层等机械系统后可同时激励出换能器一、二阶纵振动。通过改变质量块 与柔顺层的参数，改变一、一阶纵振动频率和响应”。这种换能器仅利用换 能器的纵振动，因此具有较高的机电转换系数。此种结构为拓宽换能器提供 了一个思想。图1 6 给出三种换能器的结构示意图。 剀| 露罐 ，【i 鋈雾登鍪i 二。：= 。：j 嘉磊】 。i 一一墓囊譬l 量l = = ： r ( c ) 质量块外环式 图l6 双前盖板换能器结构示意图 1 3 5 混合激励换能器 h y b d d 换能器的示意图如图1 , 7 。它是通过振子第一谐振频率和第二谐 振频率的合理选择来拓宽换能器的频带，通常两个工作频率不能分隔的太远， 否则发送电压响应、导纳响应曲线会在双频之间产生较大的凹谷而影响换能 器宽带工作特性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 圈l 。7 混合激励换能器的结构示意图 定性上讲，其低频工作时，前盖板、前晶堆和中间质量块共同构成等效 前盖板；高频工作时，后盖板、后晶堆和中间质量块共同构成等效后盖板；中 频工作时，由前后晶堆共同工作，从箍展开频带。第一激励源为压电陶瓷， 它将控制高频段的工作。通常第二激励源选用磁致伸缩材料譬如稀土 t e f e n 0 1 d ，它控制着低频段的性能。h y b r i d 换能器要获得最佳带宽后质量应 为头质量的2 5 倍，中间质量是头质量的2 倍，当然这还要看陶瓷堆与稀土 t e r f e n a l d 段的顾性比例。如电和磁的双激励，它们一个是电容性的，一个 是电感性的，这两部件能互相电调谐使彳导振动一端增强一端抵消。另一个好 处用了t e r f e n 0 1 d 能在低频段产生大的位移形变。再一点在低于谐振点 t e r f e n 0 1 d 具有每倍频程仅有6 d b o c t a v e 斜率( 压电陶瓷在发射响应上具有 12 d b o c t a v e 斜率) 犯瑚1 。豳前，美国海军研制出一种以陶瓷+ 磁致伸缩材料为 有功元件的h y b r i d 换能器，单今阵元重4 0 k g ，长为5 5 9 c m ( 包括外壳) ，1 6 元阵总重9 0 0 k g ，2 i i 作频带1 5 k h z 到6 k h z ，3 d b 带宽2 8 3 k h z ( 从1 6 5 k h z 到4 4 8 k h z ) ，电声效率可达到6 0 以上，整个基阵总声源级( 超过2 2 5 d b ) 。 如图1 8 。 r 7 ：篁尘鎏：堡奎兰至圭茎堡兰兰 裂：嚣 ，壤 “”、灌 一一一w e r o d 鬏。 蒸j 受。 p i l e c t r l c 图18 h y b r l d 换能器 虽然h y b r i d 换能器性能优越，但由于稀土材料较难加工以及涡流损耗等 i b l 题导致h y b r i d 换能器在国内还未进入工程应用阶段。 1 4 本文研究内容 本文运用多模态耦合理论来拓宽纵振换能器频带，采用图1 6 第二种双 前盖板结构设计，相比第一种结构具有较短的纵向长度，又避免了第三种设 计会引入其它弯曲模态的可能。 本文主要进行了如下三方面的研究工作： ( i ) 首先利用经典的机电等效图法对双前盖板换能器进行理论分析，得到 整体的机电等效图。 ( 2 ) 然后利用有限元软件a n s y s 对换能器的空气中模型进行模态分析， 总结了结构尺寸对频率特性和阻抗特性的影响规律；建立换能器流体中模型， 研究质量块尺寸与柔性材料对一、二阶纵振及螺杆纵振的位置与强度的影响 规律，以获取良好的发射电压响应和电导纳等电声特性，得到了优化后的换 能器虚拟样机尺寸。 ( 3 ) 最后根据虚拟样机尺寸，加工制作了双前盖板换能器试验样机，并在 实验水池中对其电声性能进行测量。试验结果和理论设计基本相符。 蓍滋 至尘鎏；：垄查兰望圭兰尘兰三 第2 章双前盖板换能器理论分析 换能器设计方法主要有机电等效电路图法和有限元法。机电等效电路图 法是纵振式复合棒换能器的经典分析方法，其优点在于物理意义明确，适合 一维分析，但对于复杂结构的换能器分析起来比较繁琐甚至无法实现；有限 元法一般不受换能器结构形状的限制，各种电声参数计算精确，显示直观， 且可方便地进行性能优化，在换能器设计中获得了越来越广泛的运用。 2 1 双前盖板换能器结构 本文设计的双盖板换能器如图21 所示结构。在压电陶瓷圆环的两端面 央以金属块组成夹心式压电陶瓷换能器。在这种换能器中，压电陶瓷圆片的 极化方向与振子的厚度方向是一致的，通过应力螺杆将压电陶瓷圆片与两端 的金属块连接在一起。预应力螺栓的作用是使压电陶瓷圆片在强烈的振动时 始终处于压缩状态，从而避免了在大功率工作状态下压电陶瓷片易破裂的情 况发生。 厘兰童查垦墨皇曼警一 日仃盖板 一门 1 后盖板2 压电陶瓷品堆3 预应力螺栓 4 头质量块( 内盖板) 5 柔顺层6 辐射盖板( 外盖板) 图21 双前盖板换能器的基本结构示意图 换能器中央部分的陶瓷晶堆由若干片压电陶瓷圆环组成，压电陶瓷晶堆 中各晶片采用机械串联而电路并联的方式连接。相邻两片晶片的极化方向相 反，使得各个晶片的纵向振动能量能够叠加，以保证压电晶堆能够协调一致 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的振动。晶片数目一般是偶数，以便换能器的前后盖板与同一极性的电极相 连，否则，换能器的前后盖板与晶片之间要加一绝缘片，通常为了安全，换 能器豹前后盖板都与电源的负极相连。 此结构换能器的前盖板分为两部分：外盖板与内盖板。外盖板形状设计 成喇叭形，其磊的在于可增大辐射面积，提高效率，增加频带宽度，实现将 换能器产生的能量绝大部分从它的前表面高效的辐射出去。外盖板材质上采 用轻金属，如铝合金、铝镁合金和钛合金等。内盖板包括两部分内质量块与 柔性层。内质量块采用重金属，引入这个机械结构后，通过调节质量块与柔 性层的各项参数可激励出换能器的二阶纵振动模态，以此来提高换能器的频 带宽度。 换能器的后质量块即后盖板，主要是实现换能器的无障板辐射，以保证 能量能够最小限度地从换能器的后表面辐射，提高换能器的前向辐射功率。 为实现此功能，换能器的后盖板的材料采用铜等重金属。 2 2 机电等效图法分析双前盖板换能器 e l l 于存在泊松效应，运用等效电路法分析双前盏板换能器的振动及电声 特性是j 常复杂的。为了使闻题简化，假定在所讨论的范匿内，振子的总长 度可以和波长相比，而最大直径比波长小很多，那么整个振子可以近似看作 为一个复合细棒，可忽略径向振动，只考虑沿轴向一维纵振动。压电晶堆是 由许多带圆孔的薄圆片叠合丽成，倘若圆孔很小，则这种带孔圆片近似实心 薄圆片湖。 2 2 1 枧电等效电路图法 将换能器看为微机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振 动方程( 2 1 a ) ；根据电路的规律可以得到电路状态方程( 2 一l b ) 。 肘鲁忡+ 警卵( f ) ( 2 - l a ) 三查般? r + 丝：y 馥c 汜一1 b ) 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作 特性和参数就可以通过机电等效图求得。 表2 。l 力学量与电学量类比对应关系 力学量电学量 力f电压v 振速u电流i 位移x 黾量q 质量m电感l 机械阻融电阻r 柔顺系数c m电容c 2 2 2 压电陶瓷晶堆的等效网络图 纵向振动换能器地有源振子一般是由多片厚度极化的压电圆片同轴粘接 组成的晶堆。其等效电路图可有单片压电振子的等效电路图并联丽成，其推 导过程很多换能器著作中都有详细叙述柳，本文只给出结果，如图2 , 2 。 图2 2 单片压电圆片的机电等效图与网络筒图 图中z ，s ，p 分别为晶片的厚度、面积和密度，e 。= l 两为恒d 纵向声速，机电转换系数胛= ( 以，屯) ，( 乞) ，露= 国，。其中边界条件为恒定 的电位移d 。嬲络简图中： z ；= j p c 州g 鼍 磊= 歹毒一翁s 国矗璩掰 ( 2 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 假定晶堆是由存p 个单片元件并联组合的振子，且每个元件的尺寸和性 能相同，则迭加系统的等效如图2 3 。 图2 3p 个元件等效线路的组合 考虑第q 个元件的机械振动部分，其机械等效网络如图2 4 a z l五 、| 、 也一t ，口磊v g 一最 1 图2 4 第q 个单元元件的机械等效网络 第q 个元件运动方程 一f q 一；= ( 乏+ 乞) 一l 一乞 l 曩= 一乞_ 一t + ( z t + z 2 ) j 萁矩阵形式为： 纠州 其中传输矩阵 f m l = lj 1 2 毛( 2 + 丑 乞 1 。曩 l 宁一 奶 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 忍一之l一 t l l 滁尔滨了程大学硕士学侮论文 ；i i 1 1 1 i i i i i ii i 1 1 1 1 1i 1 i i i i l l l1i i i i i i i 。i i i i i 为推导组合系统理论的方便，弓| 入霹端网络中的嚣个薪参数，帮网络的 特性阻抗和复数传输系数： 扣弦+ r 用特性隰抗和复数传输系数莱表示 | e o s h ， 【彩】2 b s i 畦r ：a r c c o s h ( 1 + 冯 ( 2 国 传输矩阵，可得： ( 2 - 7 ) 据双煞函数的性质，传输矩阵的p 次幂为 l e o s h ( p r ) z 0s i n h ( p r ) i 【掰r2 b s i 施( 鼢) s 联丹) | 。罐) l z ol 如果是p 节这样的四端潮络串联，则有 叫孔呜 阱 ， 解得： 得到组合振予的等效线路如图2 5 图2 5 组合振子的等效线路图 1 3 ( 2 - 1 0 ) 遗 芦 l i 贩 蘸 磊 丝2 落 一z s ，s一矽 d 一q2 丽 。z 一歹 尹 产 乏 乞 精尔滨工程大学硕士掌位论文 2 2 3 盖板的等效网络图 对大多数纵向振动换能器来说，其无源材料部分主要包括前盖板、后盖 板和预应力螺栓。前盖板一般是喇啖状，其余部件为环状，所以我髑只要求 得直圆锥喇叭纵向振动等效网络参数，那么圆柱纵肉振动的等效网络亦可求 得。魏图2 6 所示的直圆镶喇叭。 s 、 _ 疋 易 裰据弹性振动理论直圆锥喇叭振动方程炎 0 2 u 罩+ 上生塑+ 未2 u = 0( 2 。1 1 ) 露。d x + 鬟融 式中： l l 一纵愈振动速度 t 哇5 1 4 3 1 4 1 i 3 9 t 3 7 135 品。为电压响应基准值1p p a v 。 、i 。 ? 。 一 f 夕1 1 1 l 釜 图3 9 换能器水中的发射电压曲线 哈尔滨工程大学颁士学能论文 双盖板换能器的发射电压响应与前盖板的结构有密切的关系。本文主要 优化内、外前盖板以及柔顺层的结构尺寸来寻找各振动模态对发射电压响应 莹线的影e 蠢，总结规律，以期获教具有良好发射电压响应特性的结构尺寸。 3 。3 换能器虚拟样机结构尺寸l 龙化 本文拟优化的换能器结构尺寸如图3 1 0 所示。图中h l 为辐射面的厚度； h 2 为柔顺层高度；h 3 为质量块高度；t 为柔顺圆环的壁厚。 坳彩 勿 葛 心n 0 型 竭 t 、， 。 i l 、 一 图3 。1 0 双前盖板换能器头部剖面视图 这里需要说明的是：( 1 ) 当某一参数变化时，其它结构参数将保持不变。 ( 2 ) 各图中的嚣种不同结构参数仅仅是大量a n s y s 仿真分析中比较典型的几 个，用来说明换能器的谐振频率与发送电压响应随结构变化的规律。 ( 1 ) 当辐射面厚度h l 变化时，换能器的发送电压响应如下图所示： 2 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ii i i i i 蕃 茵 螽 羽 蒸 一 图3 1 1 发送电压响应随辐射面高度h 1 的变化情况 蠢图3 1 l 可以看到，随着辐射面厚度h l 的增加，相当于换能器的整体 长度增加，换能器的一阶纵振动也随之降低；辐射面厚度h l 的改变对螺杆的 纵振影响不大，因为螺杆作为一个两端钳定的细杆，h l 的变化对细杆的边界 条件并无很大的影响；随着辐射面高度h l 增秀瑟，二阶纵振响应带宽变窄，因 为随着辐射头厚度增加，等效质量变大，机械品质因数变大，故其单峰带宽 变窄，丽辐射效率变大造成响应幅值交大。利用这个规律我们可以适当调节 一、二阶纵振响应的起伏。 繇) 当柔顺层高度砬变化时，换能器的发送电聪响应如下图3 1 2 所示： 频率( k h z ) 图3 1 2 发送电压响应随柔顺层高度1 1 2 的变化情况 2 8 晗尔滨下程大学颈学侥论文 由上图可以看到，随着柔顺层高度妲的增加，也相当于换能器的整体长 度增加，一、二阶纵振频率都有适当的降低；柔顺层高度h 2 的变化对螺杆的 级振响应起伏影响较大，利用这个规律我们可以适当调节螺杆纵振响瘦，实 现响应曲线不产生过深的凹谷。 ( 3 ) 当质量块高度h 3 变化时，换能器的发送电藤响应如下图3 1 3 所示： 图3 1 3 发送电压响应随旗量块高度1 1 3 的变化情况 由上图看出，质量块变化对一阶纵振频率影响不大，这是由于一阶纵振 取决予总体长度，藤质量块被包含在换能器内并不改变总体长度；随着质量 块高度h 3 变化，螺杆纵振峰有所变化，这是由于质量块与螺杆的边界条件关 系密切；另外，质量块对二阶纵振影响较大，这是因为质量块和外盖板处于 节面两侧，相当于一个作一阶纵振的等效复合棒换能器，质量块长度增加造 成等效复合棒换能器长度增加，进而造成共振频率的减小。对比螺杆的纵振 与二阶纵振响应峰值，其响应变化趋势相反，利用这个规律我们可以适当螺 杆与二阶纵振响应的起伏。 h ) 当柔顺圜环的壁盛t 变化时。，换麓器的发送电压响应如下图3 1 4 所示： 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 i i 图3 。1 4 发送秀歪响应隧柔顺圆环的壁后t 的变化情况 由上图看出，柔顺圆环壁厚t 的变化对两阶纵振峰都存在影响。因为整 个换能器可等效为弹簧一质量系统，壁厚t 增大，相当子弹簧的等效刚度增 加，故系统共振频率增大。一阶纵振与螺杆纵振响应变化趋势相反，利用这 个规律我们可以适当调节一阶纵振与螺杆纵振响应的起伏。 综上所述，换能器各部分结构均对换能器性能产生影响，每部分结构对 换能器性能的影响也是多方面的，若想单一改变某部分的结构来获得宽带的 性能是不现实的；同时频率、带宽以及响应等方面因素往往也褶互制约，若 想在结构尺寸相同时，同时得到最大的带宽以及响应也是不现实的。因此， 合理的设计水声换能器首先应根据不同的水声应用，选择不同的性能侧重点， 同时考虑换能器结构对其性能影响的各个方面，对换能器结构进行整体的优 化设计，从而使其性能达到设计要求。对于本文设计的换能器而言，主要研 究的是如何合理的利用多级振模态的耦合振动来进一步拓浸带宽，同时使得 带宽内响应起伏较小。 3 4 最优换能器虚拟样机 根据优化过程中获取的换能器谐振频率及发送电压响应随换能器结构变 化规律，实现了对三个谐振频率位置及响应幅度的合理布局，最终获得了理 想的结构尺寸。理想模型中，h l = l o m m ，h 2 = 2 0 m m ，h 3 - - 1 6 m m ，t - - 4 m m 。最 3 0 洽尔滨 程大学硕士学位论文 il l l l li i i i i i i 黼嗣i i i 警黼i i i i 嗣黼i i 优虚拟样机空气中的导纳曲线与导纳医如图3 。1 5 所示。 ；f = l o ：6 1 a i z i g 2 陀i m 5 l ； l 三1 8 6 嫦互 选 堪 ；忙1 5 i r e s 芝。= = ： 、，一 j 量5茬h z 一! 一 一 影w ( ；黑3 殳m 翁 i；：精 厂； ! 譬i、j ； ； 、 浮“ ! ： f“一 j ! 每o 一一如一 l “i 。ln，。t一 | t 一 胁l i1khz 3=1 惑 b - 一 、 p ” + n ：。 斗挺 h ， 。- p p l 毒 1 5 0 t 5 土哇2 t 3 e w r t d b 1 3 4 1 3 0 1 2 6 薯2 2 童1 e 置王4 一 、 。”、z ，“ f “! 忡h ，脯“ 一 h ” 7 ， f f m h z ) 图3 1 7 优化后换能器的发射电压响应 哈尔滨工程大学硕学能论文 3 5 本章小结 在本章中，首先利用a n s y s 软件建立双前盖板换能器空气中有限元模 型进行有模态分析与谐响应分析，考察换能器的固有模态。建立换能器水中 的有限元模型进行辐射特性分析，通过优化辐射面的厚度、柔顺层高度、质 量块高度、柔顺圆环的壁厚等结构参数，寻找出了各结构参数对发射电压响 应等电声参数的影响觏律，最终获取了最优双前盖板换能器虚拟样枕的结构 尺寸及其电声性能。 3 2 堕尘鎏三至奎茎堡圭兰些兰兰 第4 章换能器的制作与测量 4 1 换能器试验样机的制作 4 1 1 换能器的主要零部件 本文设计的换能器组件包括：前盖板、头质量块、压电陶瓷圆环、电板 片、预应力螺栓与后盖板。其中压电陶瓷圆环尺寸为4 0 + 1 6 + 5 ( r a m ) ，材料为 p z t - 4 。电极片为011 1 1 1 1 1 厚的铜电极。头质量块、后盖板和预应力螺栓的材 料均采用黄铜。各组件实物图如图41 所示。 逐 图41 换能器的主要组件实物图 4 12 换能器的装配 依据前述分析结果，本文依照有限元仿真获得的展优模型尺寸制作了一 个实验样机。制作工艺如下： ( 1 ) 制作1 3 片铜薄电极片，其尺寸与压电陶瓷圆环相同。要求用砂纸打 磨，使其表面平整无凹痕及褶皱。 ( 2 ) 配制粘合剂环氧树脂胶将电极片与压电陶瓷圆片进行粘合成晶堆， 然后再与前后盖板粘合，在粘合前用酒精将各部分组件擦拭干净，涂胶要薄 且均匀。压电陶瓷晶堆中各晶片之间采用机械串联而电路并联的方式连接， 相邻两片晶片的极化方向相反。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 用预应力螺栓将换能器各部件固定在一起并施加预应力，然后将换 能器放入烘箱，加温固化。 ( 4 ) 烘制完成后，在电极片上焊接电缆，正负极分别相连。 制作的双前盖板压电换能器见图42 ( a ) 。水下测量时，换能器封装在一 个可拆卸金属套筒内，仅辐射面与流体介质接触。在辐射面灌封上3 m m 聚氨 酯实现与外部环境密封。测量时换能器装置见图4 2 ( b ) 。 7 一 、 ( a ) 双前盖板压电换能器样机 ( b ) 密封后的换能器 图4 2 取前盖板压电换能器样机图 4 2 测量系统与方法 空气中利用h p 4 1 9 4 a 阻抗分析仪测试换能器的电导纳曲线，扫描频率范 鬻 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m i i i i i 圃为1 0 k h z n 2 0 k h z 。 换能器水中的测量主要包括换能器水中的电导纳曲线与发送电压响应的 测试。换能器水中测量在试验水池进行，水池的尺寸力1 2 x 5 x 4 搬，待测试的 换能器和测量用标准水听器b k 8 10 4 沿水池长度方向布放，置于水下2 m 处。 换能器与标准永听器之闻的距离为1 1 3 m ( 满足远场条件) 。换能器水中的测 量系统如图4 3 所示m 删。 图4 3 换能器水中的测量系统 ( 差) 换能器水中的导纳趣线 运用h p 4 1 9 2 阻抗分析仪对水池中换能器的导纳曲线进行测量。 ( 2 ) 换熊器发送电压响应。 运用图4 3 所示的测量系统对换能器的发送电压响应进行测量。根据公 式 s z l = 2 0 l o g 品= 2 0 l o g + 1 2 0 = 2 0 l o g 等面d ( 4 - 1 ) 式4 1 中，为标准水听器8 1 0 4 的开路输出电压，y 为换能器的输入 电压，坛为标准水听器的灵敏度，d 为换能器样机与标准水听器之间的距离。 测量出和y 以后，可以计算出换能器的发送电压响应。测量时实验样 3 5 洽尔滨下程大学硕+ 学侮论文 i i ii u _ _ _ _ _ 4 3 测量结果与误差分析 4 3 1 阻抗特性测试结果与分析 在空气中的隘抗特性测量结采如表4 1 和图4 。4 所示，各模态谐振频率计 算值与测量值相差基本相符，但电导值的差别较大，原因是实际结构的阻尼 值未知且随频率变化丽计算所给的阻尼参数是恒定的经验参数造成的。 表4 。1 空气中各模态的谐振频率与电导值 谐振模态f阶纵振l螺杆纵振i 二阶纵振 频率( k h z )| 1 0 6 | 1 4 。1 | 1 7 。5 电导( m s )l 1 1 1 l 4 7 i 2 7 7 蠢5 箍kl & g ：辑建。搴4 r 藿爱 睁i 1 一x1 e 矗曲_ 軎i h r 氇1 警b ，, 镄亭l3 9 i 爹1 嚣蒙擎豪蕊* 8 吼船嬲 l l 态 。m一嚏 f 强专“ 歹。 。o 一 、 ( 鑫) 卉；瘩 矗“麝，t 暑hnm 薪：鬻 d 秘，徽 a 5 ， 嚣l 嚣 7 铅毋硌 6 。翻0 0 1 ：零雾吾i 零”矗。 脚热“熄一崽瓢 张赫，o d i v v ：2 嚣：量 茹1 0 p 1 d 嚣辩甜毋日国- 精： b ；射d i v v | ：器嚣麓 毒1 0 p 1 0 6 的粕雌 妻善警嚣臻翥嚣：嚣麓匙 ( c ) 图4 4 换能器空气中的导纳曲线 = 嚣t，m。l霉露=嚣黝壬羧 m 冀莓扣培 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 水中的测量结果如表4 。2 和图4 5 所示，各阶模态的谐振频率与有限元算 结果差别不大，第三、三种模态比有限元结果要低。原因是在仿真时，仿真 的参数与实际的材料属性存在差异且加工工艺上也缀难满足。 表4 2 水中各模态的谐振频率与电导 谐振模态一阶纵振螺杆缀振二阶纵掇 频率( k h z )1 0 3 1 4 。l1 6 。6 电导( m s ) 2 53 21 3 ”7、 l 硗r “7 。一。、x 7 。x 也0 己。蚣z 7 型 卜m，、 。 、 乒 x 霹 疆 穗：鑫鞋t 嚣肇n k 意王避嚣氇螽籍越童 、蚤 0 曩 严 j重 么蕊声 l 7、 q x 。歹攀 。一一p 、。 一 、 k 7 甄? ： 、 霪 冉，d l v罄凸日0肚臻喜下舟撒t翁b 村臼。匏国扬h 毫冉一n l v5 珏日肛gs t r r t8 辱日嘲曙霸话h l 譬9 f v墨8 日，日廿嚣s t o p积0e 叼0 ，8 0 e - h 罩嚣，o l v5 0 融。o耻s8 t o 尹罂e o 秘田。e 韵0 科蕾 啪卧瑚。8 8 。b 。堪娩( 攫) p 。瑚。嘲辩2 ( b ) 攫， 猃， 一一r j l 象 l， 叫一 纠 逸彳 ：；“歹 l 事一 帮 ， 一 。、x 矿l l 嚣l l 矧荨瑟：霎缝暴g t a ；。r ，t盔g 鼗8 器# ： 舛种。瑚氛皖( c ) 銎4 。5 换能器在混响水池的测量结果 4 3 2 发射电压响应的测量结果与分析 发射电压响应的测试结果与仿真计算结果对比图如图4 。6 所示，从图中 可以看出换能器样机的带宽达到了一倍频程，且具有较好的发射电压响应， 发送电压响应最大僮为1 4 8 d b ，5 d b 内起伏频带范围为8 1 9 k h z 。但实测结 果的响应值整体要比计算结果低了3 d b ，第二、三模态频率降低了大约l k h z 。 3 7 ! 窒尘誓三堡奎兰筌兰兰兰鎏奎 1 l 一一 u a 一 h 一一一一 d1 ui z“1 6 f ( 1 “i z ) 囹 图4 6 换能器仿真结果与水中的测量结果的对比图 造成误差的原因有很多：( a ) 在仿真时设定的材料参数与实际加工的材料 参数上存在一定的差异。( b ) 因为在螺杆的加工与组装上不可能完全与达到仿 真的理想条件，所以螺杆的纵振频率会出现一些偏移。( c ) 用a n s y s 软件进 行仿真，换能器在水中的阻尼系数是未知量，只能使用经验值进行计算。而 造成幅值落差的误差较大的原因是，阻尼系数本身随工作频率的变化而变化， 在模拟时只能默认阻尼系数为常数，无法正确地反映实际情况。阻尼系数问 题也导致了t v r 曲线的实测形态与仿真形态存在差异。( d ) 在测量的过程中， 测量环境的噪声，读数的不准确等因素也是造成最终结果差异的一个原因。 虽然仿真与测量得出的结果存在一定差别，但趋势是正确的，可明显观察到 三个谐振峰，并获得了较好的发射电压响应，有限元仿真值和实测值基本相 符。 4 4 本章小结 在本章中，首先介绍了换能器试验样机的装配流程，然后确定了换能器 的测量方案，介绍了测量环境并给出了测量系统示意图。测量了换能器样机 的空气中和水中电导纳曲线，以及换能器在水中的发送电压响应，a n s y s 的仿真结果与实测结果基本符合，最后对一者误差原因进行了分析。 至 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结论 本文在经典结构复合棒换能器的基础上，设计了一种利用多模态耦合振 动来拓展频带宽度的双前盖板宽带换能器。 首先，利用经舆的等效电路法对双前盖板换能器进行理论分析，给出了 双前盖板换能器完整的瓿电等效电路豳。 其次，应用a n s y s 有限元分析软件对双前盖板换能器进行模态分析、 谐响痰分析与辐射特性分析，研究了双盖板换能器的谐振频率和发送电压响 应随前