拼鑲圓盤換能器參數(shù)仿真研究?

（海軍潛艇學院 青島 266199）

1 引言

彎曲圓盤換能器是利用上下壓電陶瓷的伸縮來激勵中間金屬圓盤的彎曲振動來向水中輻射聲波的［1～3］，是一種新型的低頻、小尺寸、大功率的發(fā)射換能器。彎曲圓盤換能器廣泛應用于水聲技術、超聲技術、海洋開發(fā)、地質勘探等研究方面［4～5］。在此基礎上發(fā)展起來的新型圓盤發(fā)射換能器由于采用空氣腔結構，導致彎曲振動機理有所變化，使得換能器的性能得到提升，文獻［6］提出采用拼鑲壓電陶瓷的方式可以提高換能器的聲學性能。本文主要利用有限元軟件分析設計，在此基礎上進一步研究換能器的壓電陶瓷結構尺寸對換能器的相關性能的影響研究。此類型的換能器由于結構簡單、尺寸小，更能成為換能器基陣的基元，通過不同的組合方式能得到不同的頻率和帶寬性能［7～10］。

2 空腔彎曲圓盤換能器

彎曲圓盤換能器主要是兩片的圓片壓電陶瓷中間夾一個空心金屬圓盤［11～12］，由于換能器結構具有對稱型，采用Ansys軟件分析可以建立部分模型取代整體模型，這樣在保證正確性的前提下能大大節(jié)省時間，作為對比，彎曲圓盤換能器的結構尺寸取 R1=60mm，R2=5mm，H1=6mm，H2=9mm，H3=4mm，如圖1所示。

圖2為換能器在空氣中的振型分析及發(fā)送響應曲線圖，其第一階振動模態(tài)頻率為4348Hz，對應于彎曲圓盤的一階彎曲振動，是我們所需要的諧振頻率。在水中由于受到水的阻抗作用，其諧振頻率降低為3300Hz，在此處最大發(fā)送響應為132.2dB。

圖1 空腔彎曲圓盤換能器示意圖

圖2 換能器一階振型及發(fā)送響應曲線

3 拼鑲彎曲圓盤換能器

傳統(tǒng)的彎曲圓盤換能器在可靠性和一些聲學指標上還有待改進，把壓電陶瓷圓片換成壓電陶瓷切片組成環(huán)形拼鑲壓電陶瓷，由于對稱性取結構的1/n如圖3所示，在空心金屬圓盤尺寸以及陶瓷片高度不變的情況下，主要分析陶瓷片的結構尺寸對換能器相關性能的影響，具體為拼鑲壓電陶瓷圓環(huán)的內徑R4、外徑R5及單個壓電陶瓷片扇角T對換能器諧振頻率和發(fā)送電壓響應的影響。

圖3 拼鑲彎曲圓盤換能器1/n結構示意圖

3.1 圓環(huán)外徑的影響

固定圓環(huán)陶瓷片的內徑和單個壓電陶瓷片扇角這兩個參數(shù)不變，改變圓環(huán)陶瓷片的外徑，其結果如圖4所示。從圖中可以看出，隨著外徑不斷增大到50mm，換能器在空氣中和水中的諧振頻率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，水中的發(fā)送響應變化幅度較大；隨著圓環(huán)外徑數(shù)值繼續(xù)增大，空氣中和水中的諧振頻率幾乎不變，而水中的發(fā)送響應變化趨勢趨于平緩。因此為了保證換能器的低頻性和發(fā)送電壓響達到要求，圓環(huán)陶瓷片的外徑不宜太小，55mm左右為宜。

圖4 圓環(huán)外徑對諧振頻率及發(fā)送響應的影響

3.2 內徑的影響

固定圓環(huán)陶瓷片的外徑和單個壓電陶瓷片扇角這兩個參數(shù)不變，改變圓環(huán)陶瓷片的外徑，其結果如圖5所示。從圖中可以看出，內徑從開始增加到15mm時，空氣中的諧振頻率先是略微減小，隨著內徑的繼續(xù)增大，空氣中的諧振頻率則慢慢變大。水中的諧振頻率幾乎是斜率不變的隨內徑增大而減小；發(fā)送電壓響應也是隨內徑增大而減小，但其斜率不斷增大，減小幅度越來越大，綜合考慮到頻率和發(fā)送響應，取內徑20mm左右為好。

3.3 陶瓷片扇角的影響

固定圓環(huán)陶瓷片的外徑和內徑這兩個參數(shù)不變，改變單個壓電陶瓷片扇角，其結果如圖6所示。從中可以看出，單個壓電陶瓷片扇角從1.5°增大到6°過程中，空氣中的諧振頻率在4100Hz左右，幾乎保持不變，水中的諧振頻率在3080Hz左右，也是幾乎不變；發(fā)送響應隨厚度增加而逐漸減小，厚度每增加一倍，發(fā)送電壓響應減小6dB。單個壓電陶瓷片扇角的變化對諧振頻率幾乎沒有影響，對發(fā)送電壓響應影響較大，扇角越小發(fā)送響應越大，考慮到制作難度扇角不宜太小，取3°左右為宜。

圖5 圓環(huán)內徑對諧振頻率及發(fā)送響應的影響

圖6 陶瓷片扇角對諧振頻率及發(fā)送響應的影響

4 結語

本文主要探討了拼鑲彎曲圓盤換能器在其金屬件結構不變的情況下，壓電陶瓷圓環(huán)的內徑、外徑以及單個壓電陶瓷片扇角等結構尺寸對換能器性能的影響。在參數(shù)尺寸改變不大的情況下對諧振頻率的影響甚小，卻對發(fā)送電壓響應的影響較大，并且相較于采用壓電陶瓷圓片的換能器，各項性能指標均有所提高。由于Ansys有限元軟件仿真的日趨準確性，可以快速、合理地進行參數(shù)設置以達到換能器更好的性能指標。