張振雨，王艷，陳光華

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一款低頻雙端縱振-亥姆霍茲換能器

張振雨，王艷，陳光華

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108)

對一款諧振頻率接近500Hz的雙端縱振-亥姆霍茲換能器進行研究，利用電-力-聲類比電路理論對低頻性能進行定性分析；利用ATILA有限元仿真對電聲性能進行定量預(yù)計；描述了雙端振子的裝配過程；制作了換能器樣機，并對性能進行測試及分析。結(jié)果表明仿真分析較為準確，雙端振動具有較高的一致性，最終實現(xiàn)了低頻大功率發(fā)射。

亥姆霍茲諧振腔；雙端縱向振動；低頻深水換能器；預(yù)應(yīng)力控制；一體化裝配

0 引言

從上世紀70年代至今，亥姆霍茲諧振腔換能器(簡稱亥姆霍茲換能器)作為一種低頻深水聲發(fā)射器出現(xiàn)已經(jīng)有40多年的歷史。在此期間先后出現(xiàn)了以彎曲振動、圓環(huán)徑向振動、雙端縱向振動等作為驅(qū)動方式的亥姆霍茲換能器。這類換能器一般由驅(qū)動源及諧振腔這兩部分組成，其通常的工作原理為：驅(qū)動源的振動帶動剛性腔內(nèi)部流體的振動，并經(jīng)由腔體上開口處傳遞到外部。

根據(jù)電-力-聲類比基礎(chǔ)理論[1]：諧振腔內(nèi)流體等效為彈簧元件，開口處流體等效為質(zhì)量元件，在振動中的摩擦阻力及粘滯阻力等效為阻尼元件，因此諧振腔可以簡單等效為“彈簧-質(zhì)量-阻尼的受迫振動”系統(tǒng)，該系統(tǒng)的諧振頻率稱為亥姆霍茲諧振頻率。因此，亥姆霍茲換能器的類比等效電路將包括諧振腔部分與驅(qū)動源部分[2]，由此可知該換能器具有兩方面特點：(1) 亥姆霍茲諧振頻率低于驅(qū)動源自身的本征諧振頻率。(2) 亥姆霍茲諧振處的Q值較高。最初引入亥姆霍茲諧振腔作為水聲發(fā)射器也是出于上述兩點考慮。

1 工作原理

近年來，一種被稱為“雙端縱振-亥姆霍茲換能器”(Janus-Helmholtz, JH)受到較廣泛關(guān)注。究其原因是由于該換能器可以在幾百赫茲的低頻段實現(xiàn)大功率發(fā)射，且工作深度一般不受限制，因而廣泛用于海洋采礦業(yè)、海底電纜線路調(diào)查、大陸架測量等方面[3,4]。

JH換能器采用雙端縱向振子(簡稱Janus)作為驅(qū)動源，在振子的兩個頭質(zhì)量塊處圍繞兩個剛性圓柱殼，圓柱殼內(nèi)部的流體通過位于中央平面的開口與外界流體相連通，構(gòu)成諧振腔，如圖1所示。

該換能器的工作原理為：Janus的雙端振動帶動諧振腔內(nèi)部水介質(zhì)的往復(fù)運動，腔內(nèi)部的聲能量經(jīng)由開口處輻射到遠場。因此，諧振腔與驅(qū)動源的耦合振動將出現(xiàn)兩個諧振頻率，其中較低的稱為亥姆霍茲諧振頻率。

關(guān)于小尺寸的JH換能器及陣列的初步研究工作已經(jīng)開展[5,6]，本文將重點介紹一款諧振頻率接近500 Hz的雙端縱振-亥姆霍茲換能器(簡稱JH500)。依次從理論分析、仿真設(shè)計、Janus振子裝配、性能測試及結(jié)果分析進行描述。

2 理論基礎(chǔ)

利用電-力-聲類比基礎(chǔ)理論，對JH換能器的部分性能進行定性分析。將JH換能器的驅(qū)動源電路與諧振腔電路連接，形成的等效電路[6]如圖2所示。

對Janus振子施加電壓，通過機電轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為力，使Janus振子產(chǎn)生類彈簧-質(zhì)量-阻尼(C-M-R)的受迫振動。通過機聲轉(zhuǎn)換系數(shù)將力轉(zhuǎn)化為聲壓。這里存在兩個輻射體，即頭質(zhì)量塊外表面的直接輻射和諧振腔經(jīng)由開口的輻射，由于后者是由頭質(zhì)量塊內(nèi)表面推動，因此與前者相位相反。這里將聲部分電路分為上下兩部分。在上部分電路中，M、R表示頭質(zhì)量塊外表面的輻射阻抗；在下部分電路中，聲線流經(jīng)腔聲順C、開口聲質(zhì)量M、腔損失阻R以及諧振腔的輻射阻抗0、0。

式中：C包括機械力順C及腔聲順C，后者與腔體積成正比；M包括聲質(zhì)量M及瑞利末端修正質(zhì)量抗0，前者反比于開口截面積[2]。由此可知，增大腔體積與減小開口截面積均可以降低亥姆霍茲諧振頻率。為了保持功率/體積比率，增大腔體積意味著Janus振子隨之增大，即JH換能器整體尺寸增大；減小開口截面積意味著圖1中圓柱殼拉長，將導(dǎo)致腔損失阻R增大，使輻射聲能量降低[7]。另一方面也說明當腔體積與開口截面積同時增大或減小時，諧振頻率可以保持不變。

本文的JH換能器，根據(jù)上述理論基礎(chǔ)，通過仿真計算進行優(yōu)化設(shè)計。

3 仿真設(shè)計

在JH500換能器的仿真設(shè)計中，將借助于ATILA有限元仿真軟件，其后處理可將計算結(jié)果直觀顯示為換能器的電聲性能。

ATILA仿真分析分為兩個階段：(a) 利用GID軟件建立模型；(b) 利用ATILA求解器進行計算及分析。由于JH500換能器幾何結(jié)構(gòu)具有軸對稱性及雙端對稱性，GID中的仿真模型可簡化為1/2二維軸對稱模型，如圖3所示。

圖3為JH500在水中的有限元模型，其中對稱軸方向為換能器的軸向，與之垂直的方向為徑向。在材料屬性方面：Janus振子的頭質(zhì)量塊為鋁；中心質(zhì)量塊、螺桿及圓柱殼材料為鋼；壓電陶瓷為PZT4；流體介質(zhì)為水。經(jīng)過施加載荷、邊界條件等過程后，即可利用ATILA進行求解計算。

結(jié)合理論基礎(chǔ)將大量的仿真結(jié)果進行分析，對仿真模型的幾何尺寸進行了適當?shù)恼{(diào)整，優(yōu)化后得到一款JH500水中電導(dǎo)曲線及發(fā)送電壓響應(yīng)TVR曲線，分別如圖4、5所示。

4 Janus振子裝配

由于JH500的雙端縱振子尺寸較大，若對兩側(cè)壓電陶瓷堆的預(yù)應(yīng)力控制不當，則容易出現(xiàn)受力不均勻、中心節(jié)點偏移以及同軸性差等問題，這將導(dǎo)致?lián)Q能器雙端振動不一致，進而影響其電聲性能及可靠性。為了盡可能避免上述問題出現(xiàn)，本文采用一體化裝配結(jié)合預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)完成雙端縱振子的預(yù)應(yīng)力施加過程，即為了確保雙端振動的一致性及對稱性，同時對兩側(cè)陶瓷施加相等的預(yù)應(yīng)力，避免了單獨施加預(yù)應(yīng)力在機械方面可能存在的偏差。在預(yù)應(yīng)力精確控制方面，采用了先進的液壓系統(tǒng)、精密的力學(xué)傳感器及數(shù)字化的實時顯示系統(tǒng)，從而大幅度提高了預(yù)應(yīng)力施加過程的準確性、平穩(wěn)性及可控性，該裝配系統(tǒng)的組成框架如圖6所示。

圖6所示的Janus振子裝配系統(tǒng)包括液壓控制系統(tǒng)、數(shù)字實時顯示系統(tǒng)、一體化裝配系統(tǒng)。當進行預(yù)應(yīng)力施加時，液壓控制系統(tǒng)將對一體化裝配系統(tǒng)固定的Janus雙端縱振子施加力，同時借助力學(xué)傳感器將力的數(shù)值反饋給數(shù)字實時顯示系統(tǒng)，進一步調(diào)整液壓控制系統(tǒng)，直至預(yù)應(yīng)力施加結(jié)束。

5 測試結(jié)果及分析

在消聲水池完成了JH500換能器(樣機見圖7)電聲性能的測試，現(xiàn)將測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比分析。測試結(jié)果如圖8、9所示。

5.1 水中電導(dǎo)

由圖8可知測試及仿真的電導(dǎo)曲線基本相同，測得第一諧振頻率為480 Hz，第二諧振頻率為1340 Hz。但處電導(dǎo)值偏差較大，說明在亥姆霍茲諧振處，實際的品質(zhì)因數(shù)Q大于仿真值。

5.2 發(fā)送電壓響應(yīng)

圖9(a)、9(b)分別給出了JH500換能器在軸向及徑向的發(fā)送電壓響應(yīng)數(shù)據(jù)測試值及仿真值。

由圖9可知，測試及仿真的發(fā)送電壓響應(yīng)曲線隨頻率變化趨勢基本相同。但在亥姆霍茲諧振處仿真的響應(yīng)值與測試的相差較大，這說明實際情況下諧振腔損失能量較大。

(a) 軸向

(b) 徑向

圖9 JH500換能器發(fā)送電壓響應(yīng)曲線

Fig.9 The transmitting voltage response curves of JH500

5.3 指向性

圖10給出了JH500換能器在軸向平面內(nèi)指向性的測試結(jié)果及ATILA仿真結(jié)果，其中0°及180°方向為換能器的軸向；90°及270°方向為換能器的徑向。

由圖10可知：測試及仿真的指向性隨頻率變化的趨勢一致。當頻率<1000 Hz時，軸向聲能量較大，當頻率逐漸增大，軸向聲能量減小，徑向聲能量增大；頻率=1000 Hz時，指向性近似全向；頻率>1000 Hz時，徑向聲能量較大。

此外，測試指向性圖具有較好的對稱性則說明雙端振動的一致性較高，這歸功于良好的預(yù)應(yīng)力施加和結(jié)構(gòu)裝配精度。為了更直接地說明雙端振動的一致性，僅對雙端振子Janus500進行測試，在偏離軸向的不同角度上比較Janus500兩端輻射聲壓級差值Δ隨頻率變化情況，如圖11所示。

圖11中=-30°表示順時針偏離軸向30°的聲壓級差值Δ，即330°方向聲壓級330°與150°方向聲壓級150°的差值。同理，=-15表示345°-165°；=0表示0°-180°；=15則表示逆時針偏離軸向15°的聲壓級差值Δ=15°-195°；=30表示30°-210°。

由圖11中的離散數(shù)據(jù)可知：(1) 當頻率∈[600,1400] Hz，偏離軸向角度∈[-30°, 30°]，Δ∈[-0.3，0.3] dB。(2) 由Δ上下半?yún)^(qū)間離散點的分布情況可知，點數(shù)ΔSPL>0：點數(shù)ΔSPL=0：點數(shù)ΔSPL<0的比值為19:15:11。上述兩點說明：在軸向附近區(qū)域由Janus500振子雙端振動產(chǎn)生的輻射聲波聲壓級略有不同，但差異非常小。即說明雙端振動的一致性較高，進而驗證了良好的預(yù)應(yīng)力施加和結(jié)構(gòu)裝配精度。

5.4 聲源級

在400~1400 Hz頻段，對JH500換能器施加近似900 Vrms的電壓，測得在軸向、對應(yīng)的最大聲源級分別為198 dB、197 dB，最小聲源級為188 dB(=600 Hz)；徑向1、2對應(yīng)的最大聲源級分別為196 dB、203 dB，最小聲源級為184dB(=600 Hz)。

JH500換能器的性能參數(shù)如表1所示。

表1 JH500換能器性能參數(shù)

6 結(jié)論

本文從理論分析、仿真設(shè)計、樣機制作、性能測試及結(jié)果分析這幾方面對雙端縱向振動-亥姆霍茲換能器JH500進行論述及分析，結(jié)果表明：

(1) ATILA仿真結(jié)果實現(xiàn)了對JH500換能器電聲性能較準確的預(yù)計。

(2) 一體化裝配與預(yù)應(yīng)力控制技術(shù)確保了JH500雙端振動的對稱性。

(3) JH500換能器在亥姆霍茲諧振處具有較高Q的同時諧振腔損失能量也較大。

(4) 隨頻率增大，JH500換能器的聲能量逐步由軸向向徑向集中。

(5) JH500實現(xiàn)了在400~1400 Hz頻段大功率發(fā)射。

綜上所述，JH500換能器將在深水拖曳陣、淺地層剖面設(shè)備、超遠距離水聲通信設(shè)備等方面具有較好的應(yīng)用前景。

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A low frequency Janus-Helmholtz transducer

ZHANG Zhen-yu, WANG Yan, CHEN Guang-hua

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

The Janus-Helmholtz transducer with the resonancefrequency near 500Hz is presented in this paper. Firstlythe theory of equivalent circuit is used for qualitative analysis of low frequency performance and ATILA finite element simulation technique is used for quantitative analysis of the transducer. Then the assembly of Janus500 is described and the Janus-Helmholtz transducer sample is developed and its performance is tested and discussed. The results indicate that the simulation analysis is relatively accurate and the coherence between double ends’ vibrations is good enough. Finally the performance of the transducer in low frequency and high power is achieved.

Helmholtz resonator; double-ended longitudinal vibration; low frequency deep-submergence transducer；pre-stress control; integrative assemblage

TB552

A

1000-3630(2015)-02-0188-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.018

2014-02-18;

2014-04-28

張振雨(1983－), 男, 遼寧鞍山人, 碩士, 研究方向為低頻深水大功率發(fā)射器。

張振雨, E-mail: allen3514@hotmail.com