一款水聲通信換能器研究

童暉，張濤，張彬，王佳麟

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一款水聲通信換能器研究

童暉，張濤，張彬，王佳麟

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海201815)

隨著聲吶技術(shù)的迅速發(fā)展，水聲通信在海洋科學(xué)研究及海洋開發(fā)中發(fā)揮著非常重要的作用，水聲通信換能器是水聲通信設(shè)備中負(fù)責(zé)電聲轉(zhuǎn)換的重要部件。研究了一款帶底座的溢流圓管換能器，通過有限元仿真計(jì)算了換能器發(fā)送電壓響應(yīng)和方向性等參數(shù)，優(yōu)化了換能器中的陶瓷元件和底座的結(jié)構(gòu)尺寸，制作并測(cè)量得到一款半空間指向性的水聲通信換能器，換能器的工作頻段為11～23kHz，帶內(nèi)起伏為3dB，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為133dB，-3dB垂直開角大于180°。

半空間；溢流圓管；通信換能器

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，水聲通信技術(shù)也得到了飛速的提高。換能器是水聲通信設(shè)備的重要組成部件，有多種類型[1-2]，比如復(fù)合棒、圓管、三疊片、彎張換能器等。其中圓管換能器由于其水平方向性為全向，在水聲通信運(yùn)用中較普遍。圓管換能器具有制作工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、帶寬較寬[3]、性能可靠的特點(diǎn)。圓管換能器從結(jié)構(gòu)上分為兩種類型，一類為空氣背襯換能器，另一類為溢流圓管換能器[4]。溢流圓管換能器具有內(nèi)外壓力平衡、幾乎不受水深限制的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于水聲通信。

本文介紹一種溢流式圓管換能器，該換能器由壓電陶瓷圓管、金屬底座和水密包覆材料等組成，該換能器存在一個(gè)半開口的液腔。通過液腔與陶瓷圓管的徑向振動(dòng)耦合，拓寬換能器的帶寬；金屬底座[5]可以改善換能器的垂直方向性，同時(shí)優(yōu)化換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)，在換能器底座增加吸聲橡膠以減小換能器的后輻射，從而達(dá)到較為理想的半空間指向性[6]。

1 換能器理論及有限元仿真

本文中溢流圓管換能器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，溢流圓管換能器的諧振模態(tài)為圓管的呼吸模態(tài)，陶瓷圓管及極化方向?yàn)閺较驑O化，其諧振頻率可用式(1)來表示：

換能器液腔諧振的頻率可根據(jù)G.W.Mcmahon給出的方程(2)計(jì)算[7]：

式中：為水的體積彈性模量；為溢流環(huán)換能器材料的彈性模量；為溢流環(huán)換能器的壁厚。

圖1 溢流圓管結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structurediagram of free-flooded ring typed tube

當(dāng)確定換能器諧振頻率時(shí)，可通過公式(1)計(jì)算出陶瓷外形尺寸，并通過公式(2)計(jì)算出換能器的液腔諧振頻率。通過換能器的兩個(gè)諧振頻率拓寬換能器的帶寬，但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中具有不規(guī)則腔體，并不能精確地計(jì)算腔體諧振頻率，因此在計(jì)算帶腔體諧振頻率時(shí)都采用有限元軟件。

通過上述仿真參數(shù)可以優(yōu)化確定換能器的各項(xiàng)參數(shù)，最佳參數(shù)條件下的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線如圖5所示。

2 換能器的電聲性能測(cè)量

通過上述仿真可以得出換能器的基本參數(shù)，考慮到水聲通信換能器需長(zhǎng)時(shí)間處于海水當(dāng)中，因此選取鈦合金材料作為換能器的底座材料，選取聚氨酯材料作為換能器的包覆材料，通過上述仿真得出換能器的基本參數(shù)，最終制作出一個(gè)75mm×45mm的水聲通信換能器，其中底座外直徑為75mm，換能器樣機(jī)如圖6所示。

由于水聲通信換能器通常需要半空間的指向性，因此在換能器的底部增加了一個(gè)吸聲障板，這樣可以有效地降低換能器的后輻射，同時(shí)不影響換能器的半空間指向性。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得換能器在整個(gè)頻段內(nèi)的指向性都大于180°，23kHz時(shí)換能器的指向性如圖8所示，圖9為增加吸聲材料后的換能器在23 kHz的指向性圖。

從圖中可以看出，換能器3 dB開角大于180°，工作頻帶內(nèi)前后輻射差在14 dB以上。

3 結(jié)論

本文通過有限元仿真優(yōu)化了一種水聲通信換能器，運(yùn)用換能器的液腔諧振以及陶瓷圓管的徑向諧振耦合實(shí)現(xiàn)換能器的寬帶特性，同時(shí)運(yùn)用換能器的液腔界面反射，實(shí)現(xiàn)換能器半空間指向性。最終制作出一個(gè)換能器，其頻帶范圍為11～23kHz，帶內(nèi)起伏為3dB，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為133dB，帶內(nèi)垂直開角大于180°。測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，這類換能器廣泛適用于水聲通信中。

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Astudy ofunderwateracousticcommunicationtransducer

TONG Hui, ZHANGTao, ZHANG Bin, WANG Jia-lin

(Shanghai Acoustic Laboratory,Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201815,China)

With the quickdevelopment of sonar technology, underwater acoustic communication plays an important role in marine scientific research and ocean development.Underwater acoustic communication transducer is the important part of the electric sound conversion system for acoustic communication. This paper studies a kind of underwater acoustic communication transducer using free-flooded ring typed tube.The ceramic components and shell structure of the transducer are optimized by the finiteelement simulation. A half-space directional underwater acoustic communication transducer is made and measured with the specifications as follows: 11~23 kHzworking band with 3 dB fluctuation, 133 dB maximum transmitting voltage response and the -3 dBverticalangle of greater than180degrees.

half-spacedirectional;free-flooded ring tube;communicationtransducer

TB552

A

1000-3630(2017)-04-0390-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.04.016

2016-12-05;

2017-03-05

童暉(1986－), 男, 江西撫州人, 碩士, 研究方向?yàn)樗晸Q能器。

童暉, E-mail: tonghui27@163.com