田豐華, 何文峰, 張 俊

?

匹配層水聲寬帶換能器性能分析

田豐華, 何文峰, 張 俊

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710075)

為了提高現(xiàn)代魚雷的作戰(zhàn)性能, 適應(yīng)復雜環(huán)境, 研制了寬帶自導系統(tǒng), 旨在提高聲納基陣的整體性能。本文采用了有限元分析方法, 借助ANSYS軟件設(shè)計了匹配層水聲寬帶換能器, 通過調(diào)整匹配層的聲速、密度及厚度, 分析了該類換能器的性能, 包括換能器諧振頻率、發(fā)送電壓響應(yīng)、自由場電壓接收靈敏度以及收發(fā)頻帶寬度等, 并對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。研制了匹配層水聲寬帶換能器并進行了水池試驗, 對比分析了理論設(shè)計與試驗結(jié)果, 其測試結(jié)果與計算結(jié)果具有較好的一致性。本文研究可為聲納基陣設(shè)計提供借鑒。

魚雷自導系統(tǒng); 匹配層; 寬帶換能器; 電聲性能; 有限元方法

0 引言

為了提高作戰(zhàn)性能, 適應(yīng)復雜環(huán)境, 現(xiàn)代魚雷大多采用寬帶自導系統(tǒng), 其優(yōu)勢在于: 1) 主動探測能力強。自導系統(tǒng)工作頻帶寬, 并向低頻段延伸, 提高了自導系統(tǒng)的遠程探測能力, 可以彌補安靜型潛艇由于目標強度降低而造成作用距離的減少。2) 主被動可同時工作, 寬頻帶自導系統(tǒng)由于工作帶寬大, 可主被動同時工作, 對抗難度大, 同時可提高自導系統(tǒng)的反對抗能力。3) 環(huán)境適應(yīng)能力強, 在淺海復雜環(huán)境條件下, 海面、海底反射形成的混響是影響自導性能的重要因素, 寬帶信號可提高魚雷混響背景中的檢測能力。

目前, 針對寬帶自導系統(tǒng)所用換能器而言, 匹配層水聲寬帶換能器是比較理想的選擇。因此, 本文結(jié)合工程實際應(yīng)用背景, 針對匹配層水聲寬帶換能器進行了深入研究, 為后續(xù)寬帶聲納基陣的研制奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 理論分析

目前水聲換能器的設(shè)計主要借助有限元理論、邊界元理論和機電耦合理論作為理論指導, 本文從工程應(yīng)用的角度, 簡要介紹匹配層水聲寬帶換能器的設(shè)計理論。

匹配層技術(shù)的應(yīng)用能有效拓寬換能器的工作頻率, 但在實際應(yīng)用中輻射面的大小不一, 特別在布陣使用中, 由于障板和互輻射的作用, 基陣的諧振頻率比單個基元高, 這是由于換能器輻射抗減少的緣故。匹配層厚度在理論上應(yīng)取換能器諧振頻率波長的1/4, 即認為此時可獲得最大的帶寬, 其前提條件是輻射面尺寸比工作波長大的多, 輻射抗比較小, 換能器諧振頻率不因輻射抗的存在產(chǎn)生偏移。實際上, 這樣的條件在自導基陣中很難滿足, 必須對匹配層厚度進行修正, 以獲取基陣的最佳性能。匹配層及參數(shù)的設(shè)計理論為

(2)

(3)

理論上選取最佳匹配層的厚度為換能器諧振頻率波長的1/4, 且

(6)

即, 有

(8)

故修正后的匹配層厚度可表示為

(10)

從上述理論推導可看出, 在應(yīng)用匹配層技術(shù)的過程中, 主要涉及到匹配層的聲速、密度及匹配層的厚度等參量, 其中的關(guān)鍵參量為聲速, 聲速取值越大, 電導帶寬越寬, 且中間的凹谷亦越深, 聲速大到一定程度時, 帶寬將產(chǎn)生不連續(xù)。

2 匹配層水聲寬帶換能器有限元計算

2.1 空氣介質(zhì)中匹配層水聲換能器性能

主要分析了換能器在灌注匹配層前后的電導、電納的變化規(guī)律（如圖1、圖2所示）。其作用在于控制水聲換能器的諧振頻率以及阻抗特性, 為水域介質(zhì)中的換能器頻段分析提供參考。圖中顯示了換能器在灌注匹配層前后諧振頻率的變化, 尤其是灌注匹配層后, 在一定的帶寬內(nèi), 換能器出現(xiàn)了2個主諧振峰, 用于拓展換能器的帶寬。

圖1 空氣介質(zhì)中灌注匹配層前換能器電導/電納/導納-頻率曲線

圖2 空氣介質(zhì)中灌注匹配層后換能器電導/電納/導納-頻率曲線

2.2 水域介質(zhì)中匹配層水聲換能器性能

建立了3D流體模型, 理論計算了匹配層灌注前后換能器的電導、電納及導納性能（見圖3和圖4）。圖4中, 匹配層換能器的電導曲線趨于平坦, 在一定程度上決定了匹配層換能器發(fā)射性能的平坦性。電納曲線也趨于平坦, 給寬帶匹配提供了便利, 在不同頻點上基陣的電聲轉(zhuǎn)換效率也會相應(yīng)的提高。圖5為發(fā)射性能的計算結(jié)果, 體現(xiàn)了匹配層換能器的寬帶性能。

圖3 水域介質(zhì)中灌注匹配層前換能器電導/電納/導納-頻率曲線

圖4 水域介質(zhì)中灌注匹配層后換能器電導/電納/導納-頻率曲線

圖5 水域介質(zhì)中灌注匹配層前后發(fā)送電壓響應(yīng)-頻率曲線

3 試驗驗證

在上述研究的基礎(chǔ)上, 研制了匹配層水聲寬帶換能器, 對其性能進行了測試, 其結(jié)果如下。

3.1 空氣介質(zhì)中匹配層換能器性能測試

為了便于總結(jié)規(guī)律, 從而對匹配層進行深入研究, 本文用4194A阻抗分析儀在空氣介質(zhì)中對匹配層灌注前后換能器的電導、電納及阻抗分別進行了性能測試, 其結(jié)果如圖6~圖8所示。

從圖6和圖7可以預(yù)判匹配層換能器的工作帶寬及帶內(nèi)發(fā)射性能的平坦性。從圖8可以看出, 匹配層換能器是高阻換能器。另外, 在正常大氣壓下, 對匹配層換能器進行了機械強度的測試, 結(jié)果表明, 該匹配層換能器能耐3 000 V的直流高壓, 通過的電流峰峰值1.0 A以上。

圖6 空氣介質(zhì)中灌注匹配層前換能器電導/電納-頻率測試曲線

圖7 空氣介質(zhì)中灌注匹配層后換能器電導/電納-頻率測試曲線

圖8 空氣介質(zhì)中灌注匹配層前后換能器阻抗-頻率曲線

3.2 水域介質(zhì)中匹配層換能器性能測試

3.2.1 發(fā)射性能測試

使用水聲自動化測量系統(tǒng)對匹配層換能器進行了發(fā)送電壓響應(yīng)及發(fā)射指向性測試, 其中發(fā)射指向性測了2個頻點, 分別為=20 kHz,=30 kHz, 結(jié)果如圖9~圖11。圖12可看出, 匹配層換能器的源級較大, 所需要功率也較大, 但整個帶內(nèi)較平坦, 是工程應(yīng)用中實現(xiàn)換能器寬帶性能的較好選擇。

圖9 匹配層換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)-頻率測試曲線

圖10 f=20 kHz時匹配層換能器束寬-角度測試曲線

圖11 f =30 kHz時匹配層換能器的束寬-角度測試曲線

圖12 匹配層換能器的源級-頻率測試曲線

3.2.2 接收性能測試

使用水聲自動化測量系統(tǒng)測量了匹配層換能器接收性能。測試結(jié)果如圖13所示。由圖中可以看出, 匹配層換能器的自由場電壓接收靈敏度起伏較小, 接收靈敏度較高。

圖13 匹配層換能器自由場電壓接收靈敏度-頻率曲線

4 結(jié)束語

本文從理論設(shè)計、仿真計算和試驗驗證3個層面對匹配層換能器進行了較為深入的研究; 從工程應(yīng)用的角度, 對匹配層換能器進行了機械強度和大功率發(fā)射測試。通過分析可知, 復合棒縱向振動換能器的輻射面上灌注阻抗匹配層之后, 其發(fā)射、接收性能及工作頻帶寬度都有較大幅度的提高; 理論、仿真設(shè)計的發(fā)射性能、接收性能、頻帶寬度、諧振頻率等與試驗結(jié)果具有較好的一致性。另外, 由于障板的材料、大小及厚度、去耦材料及透聲層厚度對匹配層換能器的聲學性能都有較大影響(尤其透聲層厚度會受到流體線形的制約), 需要在工程應(yīng)用中做更加深入的研究。本文對匹配層換能器所做的設(shè)計和分析, 對聲納基陣的發(fā)展具有借鑒意義, 為工程應(yīng)用中聲納基陣的研制奠定基礎(chǔ)。

[1] 莫西平. ANSYS軟件在模擬分析聲學換能器中的應(yīng)用[J]. 聲學技術(shù), 2007, 26(6): 1290-1297.Mo Xi-ping. The Application of ANSYS in Simulating and Analyzing Acoustic Transducer[J]. Technology Acoustics, 2007, 26(2): 1290-1297.

[2] 唐義政, 俞宏沛, 溫寧, 等. 換能器輻射阻抗變化對匹配層參數(shù)的影響[J]. 應(yīng)用聲學, 2002, 21(6): 36-39.Tang Yi-zheng, Yu Hong-pei, Wen Ning, et al. Effect of Changing the Transducer Impedance on the Matching Layer Parameter[J]. Applied Acoustics, 2002, 21(6): 36-39.

[3] 陳航, 張允孟, 李志舜. 具有阻抗匹配層的寬帶縱向振動壓電換能器設(shè)計[J]. 應(yīng)用聲學, 2001, 20(2): 31-34.

Chen Hang, Zhang Yun-meng, Li Zhi-shun. Design of Wide- band Longitudinal Mode Piezoelectric Transducers with Impedance Matching Layers[J]. Applied Acoustics, 2001, 20(2): 31-34.

[4] Butler S C. Triply Resonant Broadband Transducers[C]//Oc- eans MTS/IEEE, 2002, (4):29-31.

[5] Rajapan D. Performance of a Low-frequency, Multiresnant Broadband Tonpilz Transducer[J]. Journal Acoustical Socciety of America, 2002, 111(4): 1692-1694.

[6] Fujii T, Ishimura H, Yamamotp M, et al. Wide Band Langevin Type Transducer with a Bending Disk on the Radiation Surface[C]//Undersea Defence Technology, 2001: 421-424.

(責任編輯: 楊力軍)

Performence Analysis on Broadband Transducer with Matching Layer

TIAN Feng-hua , HE Wen-feng , ZHANG Jun

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

A broadband transducer with matching layer was designed with finite element method（FEM）and ANSYS software to make modern torpedo adapt complicated environment. The acoustic velocity, density and thickness of the matching layer were adjusted to analyze the acoustic characteristics of the transducer, including syntonic frequency, transmitting voltage response, receiving sensitivity of free field voltage, and receiving transmitting frequency bandwidth, and to optimize its structure. Tank test of the transducer was conducted, and the results agreed well with computation. This study may offer a reference for sonar array design.

torpedo homing system; matching layer; broadband transducer; electroacoustic characteristic; finite element method(FEM)

TJ630.34; TP273.4

A

1673-1948(2012)06-0428-04

2012-03-06;

2012-05-09.

田豐華(1981-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向為魚雷聲學裝置.