加筋式IV型彎張換能器研究

馬振 劉佳卉

（第七一五研究所,杭州，310023）

IV型彎張換能器主要由內部驅動振子和外部振動殼體組成。它具有低頻、大功率、小尺寸的特點，被廣泛應用于水聲通信、低頻探測等領域[1]。IV型彎張換能器的水中諧振頻率主要取決于殼體的材料、形狀、尺寸。當殼體的結構確定時，換能器諧振頻率很難大幅度改變。在工程應用中，設計一款全新的換能器成本較高且研制周期較長。如果在現(xiàn)有換能器的結構上進行改造且能達成預期研制目標，則可節(jié)約成本和縮短研制周期。本文提出一種在IV型彎張換能器殼體表面焊接金屬筋板的方法，通過適當?shù)卦O置筋板的寬度、厚度，在不改變換能器結構、尺寸、工藝流程的基礎上大幅度提升換能器的工作頻率，同時可增加工作帶寬，以滿足相應的工作要求，拓展換能器的應用范圍。

1 初始IV型彎張換能器

1.1 初始換能器模型

初始的IV型彎張換能器長軸為300 mm，短軸為150 mm，殼體高度為100 mm。結構模型如圖1。

圖1 初始IV換能器模型

建立換能器水中模型并計算結果見圖2~3。從仿真數(shù)據可以看出，換能器諧振頻率為1.65 kHz，發(fā)送電壓響應為142 dB，諧振處電導峰值為1.8 mS，-3 dB帶寬約為280 Hz。

圖2 換能器導納曲線

圖3 換能器發(fā)送電壓響應曲線

1.2 換能器制作與測試

依據模型試制換能器見圖4。其中殼體采用鈦合金材料、內部陶瓷采用PZT-8材料。

圖4 原始換能器

在消聲水池中對換能器進行測試，換能器入水深度是水下3 m。測試換能器性能見圖5~6。從圖中可以看出，該換能器的諧振頻率約為1.575 kHz，諧振處發(fā)送電壓響應約為141 dB，電導峰值約為2 mS，-3 dB帶寬約為300 Hz。對比仿真可以看出，換能器實測數(shù)據與仿真比較吻合。由于蓋板的夾持作用，實測的諧振頻率略低于仿真計算結果。

圖5 換能器水中導納測試曲線

圖6 換能器水中發(fā)送電壓響應測試曲線

2 加筋換能器仿真優(yōu)化

由運動與振動方程可知，換能器諧振頻率可表示為：

式中，ω0是換能器諧振角頻率，k是換能器等效剛度，m是換能器等效質量?？梢钥闯觯ㄟ^提升換能器剛度和減輕質量可以提高換能器諧振頻率。殼體加筋提升諧振頻率的機理就是加筋增大殼體的等效剛度。這里對剛度影響最大的因素就是筋板的寬度與厚度。圖7是加筋后換能器模型?？紤]結構的對稱性，筋板位于殼體中間位置。

圖7 加筋式換能器模型

2.1 筋的寬度仿真

設置筋板厚度為10 mm，分別計算筋板寬度占殼體高度比例為0、10%、20%、40%、80%、100%情況下?lián)Q能器性能，結果見圖8~10。

圖8 諧振頻率隨加筋寬度變化

圖9 諧振響應隨加筋寬度變化

圖10 品質因數(shù)隨加筋寬度變化

通過上述仿真可以看出：（1）增大筋板的寬度可提高換能器的諧振頻率。其中筋板寬度不大于殼體寬度的40%時頻率提升較多。（2）無筋板與加寬度占比為10%的情況相比，寬度占比10%的情況下的諧振處響應降低、帶寬增大。這是由于筋板的存在使殼體成為一個復合梁，降低殼體與振子耦合程度。（3）筋板占比從10%增加至100%，換能器響應逐漸提升，品質因數(shù)逐漸升高。響應的提升是因為筋板占比的增加，提高了換能器諧振頻率，在輻射面積基本不變的情況下增大了輻射阻抗[2]。品質因數(shù)提升主要是由殼體剛度增加引起的。

從仿真可以看出，當筋板寬度占比約在40%時，筋板對頻率的提升較多，并且此時換能器也可獲得較好的帶寬與響應性能。

2.2 筋的厚度仿真

設置筋板寬度為40 mm，厚度分別為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm，仿真結果見圖11~13。從圖中可以看出，隨著筋板厚度的增加，換能器諧振頻率、響應、帶寬逐漸提升。但當筋板厚度為10 mm時換能器品質因數(shù)最低，此時換能器可獲得最好的寬帶效果。從工程角度來看，焊接筋板的目的是為了降低成本和縮短研制周期，但當筋板的尺寸與殼體可以比擬時，這種優(yōu)勢就逐漸消失。所以筋板的厚度應與實際工程需求相結合，不可一味追求厚度。

圖11 諧振頻率隨加筋厚度變化

圖12 諧振處響應與筋板厚度關系

圖13 品質因數(shù)與筋板厚度關系

3 加筋試制

3.1 筋板選擇

通過上述仿真可以看出，當筋板寬度為40 mm、厚度為10 mm時可在提高諧振頻率的基礎上保持較好的性能。由IV型彎張換能器工作原理可知，換能器輻射主要靠短軸的振動，長軸為金屬實體，形變較小。這里考慮僅在短軸殼體位置焊接加強筋板。另外考慮筋板過寬會使焊接難度增大，因此改用兩條筋板的形式，每條筋寬度為20 mm，對稱分布在殼體兩側。結構模型見圖14。

圖14 帶寬與筋板厚度關系

仿真對比單筋與雙筋性能見圖15~16，從圖中可以看出，兩種方式加筋后的換能器性能基本相同。加筋后換能器諧振頻率約為1 925 Hz；諧振處響應約為142.5 dB；電導峰值約為1.4 mS；-3 dB帶寬約為400 Hz。

圖15 兩種加筋形式下響應曲線

圖16 兩種加筋形式下導納曲線

3.2 換能器制作與測試

按照仿真模型在殼體外側焊接雙金屬筋后，裝配完畢的換能器如圖17所示。水中測試性能見圖18~19。從圖中可以看出，加筋后換能器諧振頻率約為1 850 Hz；諧振處發(fā)送電壓響應約為142.5 dB；-3 dB帶寬約為360 Hz；電導峰值約為4 mS。可以看出測試數(shù)據與仿真結果較為吻合，其中諧振頻率略低于仿真計算結果，這是由蓋板夾持造成的（仿真計算中忽略了蓋板的夾持影響）；電導峰值較高是因為加筋后陶瓷振子上的預應力增大引起的。

圖17 加筋式IV型彎張換能器

圖18 換能器發(fā)送電壓響應曲線

圖19 換能器導納曲線

4 結論

焊接加強筋提升部件結構強度的方法已廣泛應用于結構設計中，但利用加強筋提升換能器諧振頻率的應用較少。本文利用焊接加強筋的方法將一只1.575 kHz的IV型換能器的諧振頻率提升至1.85 kHz，這種方法不僅可以用于IV型彎張換能器，還可以用于其它彎曲類換能器。加筋式結構不僅能提升諧振頻率、增加換能器的工作帶寬，同時由于殼體剛度增強，換能器的耐靜水壓力性能得以提高，更好地滿足換能器的深水下工作的要求。另外，通過多個換能器焊接不同寬度和厚度的筋板，形成在一定頻率范圍內多個換能器組合而成的聲基陣，提高聲基陣的工作帶寬，實現(xiàn)低頻、寬帶、大功率的要求。