Ⅵ型彎張換能器仿真設計研究進展
文/ 水聲換能器與測試技術研究室 丁玥文
隨著海洋開發及軍事對抗技術的發展，水聲換能器領域面臨諸多挑戰。彎張換能器是一種常見的水下聲源，具有小尺寸、低頻、大功率發射等特點。由于換能器安裝平臺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用。同時相較于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計仿真了由鑲拼圓環激勵的Ⅵ型彎張換能器，并對其進行了結構優化，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，帶內最大發送電壓響應級117.5dB。
為獲得更為優異的電聲性能，選用工作在33模式的壓電陶瓷鑲拼圓環作為激勵源，圓環兩端面連接內凹圓形輻射面，周向設置金屬圓環以施加預應力，換能器輻射面與外環均選用鋼材質，壓電陶瓷選用PZT-4，其結構如圖1所示。
換能器由圓環的徑向振動帶動內凹圓形輻射面進行彎曲振動，從而實現位移放大作用。其1/4軸對稱簡化模型如圖2所示，結構參數中輻射面半徑r、凹陷深度h、厚度t以及陶瓷片寬度w都將對換能器的電聲性能產生一定影響。
圖2 四分之一軸對稱簡化模型
Fig.2 Quarter axisymmetric simplified model of transducer
考慮換能器結構的對稱性及周期性，建立其三維1/n仿真模型，通過施加對稱邊界條件等效為整體模型。圖3為換能器一階振動模態位移分布圖，輻射面凹陷最深處為振幅最大點。
Fig.3 First-order vibration mode displacement distribution of transducer
利用COMSOL軟件對其進行諧波響應分析，并研究各項結構參數對換能器性能的影響，換能器水中諧響應仿真模型如圖4所示。
圖5為換能器輻射面半徑r對換能器發送電壓響應曲線的影響，當輻射面半徑增大時，換能器諧振頻率不斷降低同時響應有所減小。
圖5發送電壓響應級曲線隨r變化
Fig.5 Transmitting voltage response level curve varies with r
圖6為輻射面凹陷深度h對換能器發送電壓響應曲線的影響，當深度增大時，換能器諧振頻率不斷升高，響應增大。
圖7為輻射面厚度t對換能器發送電壓響應曲線的影響，當厚度不斷增大時，換能器諧振頻率不斷升高，響應降低
圖7 發送電壓響應級曲線隨t變化
Fig.7 Transmitting voltage response level curve varies with t
考慮換能器的實際應用，將輻射面的半徑選為138mm，厚度選為6mm。在此基礎上，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，對應上述尺寸，輻射面凹陷深度為8mm時，位移放大效果最明顯。
圖8 輻射面凹陷最深點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果對換能器進行整體結構優化，最終優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為優化后換能器發送電壓響應曲線。換能器水中諧振頻率550Hz，發送電壓響應級為117.5dB，工作頻帶為450~1200Hz。
圖9 發送電壓響應級曲線
Fig.9 Transmitting voltage response level curve
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