文/ 水声换能器与测试技术研究室 丁玥文

随着海洋开发及军事对抗技术的发展，水声换能器领域面临诸多挑战。弯张换能器是一种常见的水下声源，具有小尺寸、低频、大功率发射等特点。由于换能器安装平台的限制及紧密排列成阵的需求，使Ⅴ型、Ⅵ型弯张换能器具有了更为广泛的应用。同时相较于Ⅴ型，Ⅵ型弯张换能器的耐压性能更为良好。

研究人员通过有限元方法设计仿真了由镶拼圆环激励的Ⅵ型弯张换能器，并对其进行了结构优化，最终得到换能器尺寸为φ330mm×50mm，水中谐振频率为550Hz，工作频带可覆盖450Hz~1200Hz，带内最大发送电压响应级117.5dB。

为获得更为优异的电声性能，选用工作在33模式的压电陶瓷镶拼圆环作为激励源，圆环两端面连接内凹圆形辐射面，周向设置金属圆环以施加预应力，换能器辐射面与外环均选用钢材质，压电陶瓷选用PZT-4，其结构如图1所示。

换能器由圆环的径向振动带动内凹圆形辐射面进行弯曲振动，从而实现位移放大作用。其1/4轴对称简化模型如图2所示，结构参数中辐射面半径r、凹陷深度h、厚度t以及陶瓷片宽度w都将对换能器的电声性能产生一定影响。

图2 四分之一轴对称简化模型

Fig.2 Quarter axisymmetric simplified model of transducer

考虑换能器结构的对称性及周期性，建立其三维1/n仿真模型，通过施加对称边界条件等效为整体模型。图3为换能器一阶振动模态位移分布图，辐射面凹陷最深处为振幅最大点。

Fig.3 First-order vibration mode displacement distribution of transducer

利用COMSOL软件对其进行谐波响应分析，并研究各项结构参数对换能器性能的影响，换能器水中谐响应仿真模型如图4所示。

图5为换能器辐射面半径r对换能器发送电压响应曲线的影响，当辐射面半径增大时，换能器谐振频率不断降低同时响应有所减小。

图5发送电压响应级曲线随r变化

Fig.5 Transmitting voltage response level curve varies with r

图6为辐射面凹陷深度h对换能器发送电压响应曲线的影响，当深度增大时，换能器谐振频率不断升高，响应增大。

图7为辐射面厚度t对换能器发送电压响应曲线的影响，当厚度不断增大时，换能器谐振频率不断升高，响应降低

图7 发送电压响应级曲线随t变化

Fig.7 Transmitting voltage response level curve varies with t

考虑换能器的实际应用，将辐射面的半径选为138mm，厚度选为6mm。在此基础上，指定辐射面边界径向位移为b，仿真了辐射面凹陷最深点处垂直方向位移Δh随h变化的曲线，如图8所示。由图可见，对应上述尺寸，辐射面凹陷深度为8mm时，位移放大效果最明显。

图8 辐射面凹陷最深点Δh随凹陷深度h变化曲线

Fig.8 Displacement changes with the specified displacement of the boundary

通过上述仿真分析结果对换能器进行整体结构优化，最终优化确定为辐射面半径r为138mm、凹陷深度h为8mm、厚度t为6mm、陶瓷宽度w为23mm，换能器整体尺寸为φ330mm×50mm。图9为优化后换能器发送电压响应曲线。换能器水中谐振频率550Hz，发送电压响应级为117.5dB，工作频带为450~1200Hz。

图9 发送电压响应级曲线

Fig.9 Transmitting voltage response level curve