Ⅵ型彎張換能器仿真設(shè)計(jì)研究進(jìn)展
文/ 水聲換能器與測(cè)試技術(shù)研究室 丁玥文
隨著海洋開發(fā)及軍事對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展，水聲換能器領(lǐng)域面臨諸多挑戰(zhàn)。彎張換能器是一種常見的水下聲源，具有小尺寸、低頻、大功率發(fā)射等特點(diǎn)。由于換能器安裝平臺(tái)的限制及緊密排列成陣的需求，使Ⅴ型、Ⅵ型彎張換能器具有了更為廣泛的應(yīng)用。同時(shí)相較于Ⅴ型，Ⅵ型彎張換能器的耐壓性能更為良好。
研究人員通過有限元方法設(shè)計(jì)仿真了由鑲拼圓環(huán)激勵(lì)的Ⅵ型彎張換能器，并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到換能器尺寸為φ330mm×50mm，水中諧振頻率為550Hz，工作頻帶可覆蓋450Hz~1200Hz，帶內(nèi)最大發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)117.5dB。
為獲得更為優(yōu)異的電聲性能，選用工作在33模式的壓電陶瓷鑲拼圓環(huán)作為激勵(lì)源，圓環(huán)兩端面連接內(nèi)凹圓形輻射面，周向設(shè)置金屬圓環(huán)以施加預(yù)應(yīng)力，換能器輻射面與外環(huán)均選用鋼材質(zhì)，壓電陶瓷選用PZT-4，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
換能器由圓環(huán)的徑向振動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)凹圓形輻射面進(jìn)行彎曲振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)位移放大作用。其1/4軸對(duì)稱簡(jiǎn)化模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)中輻射面半徑r、凹陷深度h、厚度t以及陶瓷片寬度w都將對(duì)換能器的電聲性能產(chǎn)生一定影響。
圖2 四分之一軸對(duì)稱簡(jiǎn)化模型
Fig.2 Quarter axisymmetric simplified model of transducer
考慮換能器結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性及周期性，建立其三維1/n仿真模型，通過施加對(duì)稱邊界條件等效為整體模型。圖3為換能器一階振動(dòng)模態(tài)位移分布圖，輻射面凹陷最深處為振幅最大點(diǎn)。
Fig.3 First-order vibration mode displacement distribution of transducer
利用COMSOL軟件對(duì)其進(jìn)行諧波響應(yīng)分析，并研究各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換能器性能的影響，換能器水中諧響應(yīng)仿真模型如圖4所示。
圖5為換能器輻射面半徑r對(duì)換能器發(fā)送電壓響應(yīng)曲線的影響，當(dāng)輻射面半徑增大時(shí)，換能器諧振頻率不斷降低同時(shí)響應(yīng)有所減小。
圖5發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)曲線隨r變化
Fig.5 Transmitting voltage response level curve varies with r
圖6為輻射面凹陷深度h對(duì)換能器發(fā)送電壓響應(yīng)曲線的影響，當(dāng)深度增大時(shí)，換能器諧振頻率不斷升高，響應(yīng)增大。
圖7為輻射面厚度t對(duì)換能器發(fā)送電壓響應(yīng)曲線的影響，當(dāng)厚度不斷增大時(shí)，換能器諧振頻率不斷升高，響應(yīng)降低
圖7 發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)曲線隨t變化
Fig.7 Transmitting voltage response level curve varies with t
考慮換能器的實(shí)際應(yīng)用，將輻射面的半徑選為138mm，厚度選為6mm。在此基礎(chǔ)上，指定輻射面邊界徑向位移為b，仿真了輻射面凹陷最深點(diǎn)處垂直方向位移Δh隨h變化的曲線，如圖8所示。由圖可見，對(duì)應(yīng)上述尺寸，輻射面凹陷深度為8mm時(shí)，位移放大效果最明顯。
圖8 輻射面凹陷最深點(diǎn)Δh隨凹陷深度h變化曲線
Fig.8 Displacement changes with the specified displacement of the boundary
通過上述仿真分析結(jié)果對(duì)換能器進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終優(yōu)化確定為輻射面半徑r為138mm、凹陷深度h為8mm、厚度t為6mm、陶瓷寬度w為23mm，換能器整體尺寸為φ330mm×50mm。圖9為優(yōu)化后換能器發(fā)送電壓響應(yīng)曲線。換能器水中諧振頻率550Hz，發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)為117.5dB，工作頻帶為450~1200Hz。
圖9 發(fā)送電壓響應(yīng)級(jí)曲線
Fig.9 Transmitting voltage response level curve
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