弯张换能器密排成阵性能的研究
IV型弯张换能器壳体静力学分析
２ 棹 壳体 （ 测量 值 ）
Ａ ” 拉伸
为 了验证 换能 器装配 的 好坏 ，利用 激光 测振 仪
（ ｒ ａ ｍ）
２ ． ４
４ ． ８ ７ ． ２ 源自变 形 否 否 否
（ ｍｍ）
２ ． ７
５ － ４ ８ ． １
变 形
否
否 否
０ ． ０ ７ ３
声学技术， ２ ０ ０ ５ ， ２ ４ （ ４ ） ： ２ ６ ８ ２ ７ １ ．
［ ２ ］贺 西平 ， 李斌 ．弯张换能器装配 预应 力及入水后 的变 化
［ Ｊ 】 ．物 理 学 报 ， ２ ０ ０ ４ ， ５ ３ （ ２ ） ： ４ ８ ８ — ５ ０ １ ． ［ ３ 】 Ｄ Ｓ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ 公司． Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ基 础 教 程 ［ Ｍ】 ．
时 壳体长 轴尺 寸 、短轴 尺 寸 的比值基 本上 等 于长轴 拉 力 、短 轴压 力的 比值 。通 过材 料试 验机 验证 了上 述 仿真 结果 的正确 性 。
参考文献 ：
［ １ 】蓝 宇 ，王 智 元 ，王 文 芝 ．弯 张 换 能 器 的 有 限 元 设 计 ［ Ｊ ］ ．
了能把晶堆刚好安装到壳体中，实际施加壳体上的 压力是理论需要的力加上 ０ ． １ ５ ｍ ｉ ｌ ｌ 安装间隙对应的 力 。晶堆 安装 到位 后 ，卸去 壳体上 的压 力 ，重 新测 量 壳体长 轴外 径 为 １ ３ ８ ． ２ ｍｉ ｌ ｌ ， 比未装 晶堆时伸 长 了 ０ ＿ ３ ｒ ｎ ｌ Ｔ ｌ ，根 据表 １ 可 得 晶堆所 受压 力约 为 １ ６ ｋ Ｎ， 晶堆横截 面尺 寸 为 ２ ０ ｍｍＸ ２ ０ ｍｍ， 因此 单个 晶堆
新型弯张换能器——欧米伽换能器频率特性与形状参数关系
度阵中加入流体一 结构耦合 分量 ［ ］与 ［ ］ 分别用脚标 ， ＿和 ｓ 表流体 与结构 。 厂 代
值 ；ｅ ］ Ｒ ［ 指取 实部运算 。需要说 明的是 ， 计算结 果中的频 带 宽度指接收灵敏度 的 一３ｄ Ｂ带宽 ， 机械品质因数也用该 带宽 计算。采用 Ｐ Ｔ Ｈ材料 ， Ｚ５ 金属端 帽为黄铜 ， 并采 用参考文 献
量 ｛ 与结 构位 移向量 ｛ ｝ Ｐ｝ Ｕ 组合成 ， 而在广 义质量 阵、 广义 刚
ＦＦＶＳ ＝ Ｒｅ ２０ ｏ ｌｇ
Ｐ ｏ ｏ ｒ
／一１ ］ ２ ０
（） ４
＼ ９ ，，Ｊ Ｌ
其中： ｐ 指距 离换 能器 中心 处 的声压 ； Ｑ指 Ａ Ｓ Ｓ后处理 ＮＹ 器 中在正 电极 电压耦合 部 中选 取节点 序号最低 节点 的 电荷
第３ ３卷
第 ５期
四 川 兵 工 学 报
２ １ ５月 ０ ２年
【 武器装备理论与技术 】
新 型 弯 张换 能器
欧米伽换 能器频率特性与形状参数 关 系
王 雨虹
（ 海军工程大学 兵器工程系 ， 武汉 ４０ ３ ） ３ ０ ３
摘要 ： 设计 一种新型弯张换能器即欧米伽换 能器 ， 并对它 的频率特性 进行分析 。通 过有 限元分 析计算 了欧米 伽换能
ｍ 金 属 片 厚 度 ＝ ． ｍ， 电 陶瓷 片 厚 度 ＝１ｍ 随 ｍ， ０ ２ｍ 压 ｍ。
３
２４ 频 率特性 与陶瓷片厚度的关系 ．
本节除压 电陶瓷 片的厚度 外 ， 其余参 数为 ： 高度 空腔
日＝３ ４ｍｍ， ． 空腔顶部半径 Ｒ ＝１ ｍ， 电陶瓷 片半径Ｒ＝ ７ｍ 压
以看出， １ 第 阶谐振频率即基频．从 １ ２ ｚ 厂 ４Ｈ 下降到 １４Ｈ ， ２ ８ ｚ 且下 降趋势渐趋平缓 。从图 ２ ｂ 可 以看 出 ， （） 频带 宽度 △ 从 厂
弯张换能器工作原理
弯张换能器工作原理弯张换能器是一种实现能量转换的装置，它能够将机械能转换为电能，或将电能转换为机械能。
具体而言，它通过弯曲或拉伸某种材料，使其产生电位差或电荷分布不均，从而将机械能转换为电能；或通过施加电场或电荷，使材料发生形变，从而将电能转换为机械能。
弯张换能器具有体积小、响应快、可靠性高等优点，在很多领域中得到广泛应用。
弯张换能器的基本工作原理是利用某种材料的形变特性，将机械能转换为电能或将电能转换为机械能。
常用的材料包括压电材料、压阻材料、形状记忆合金、静电材料等。
其中，压电材料是一种能够将机械应力转换为电荷或电势差的材料，其原理是利用晶体结构的不对称性，使材料在受到压力或振动时发生电位差，产生电荷分布不均。
当外部施加压力或振动频率与材料的本征频率相等时，压电材料会产生最大的电荷输出，这一特性可以被用作弯张换能器的机械能转换为电能。
压阻材料则是一种能够将外部压力转换为电阻的材料，它们的电阻值随着外部应力的变化而变化。
当压力施加到压阻材料上时，材料内部的晶粒之间的距离随之变化，导致电阻值的变化，进而产生电势差，并将机械能转换为电能。
形状记忆合金是一种能够在受到外部激励后，自动恢复原来形状的材料。
它们的形变特性可以通过热交变、应力交变、压电等方式来激发。
这种材料在弯张换能器中被用于将机械能转换为电能，或将电能转换为机械能，其中机械能来源于形状记忆合金的形变。
静电材料则具有在表面上施加电场后变形的特性，可将电能转换为机械能。
这种材料被广泛应用于弯张换能器和压电换能器中，以提供高速和大变形的能力。
总之，弯张换能器可采用多种材料和机构设计，以适应不同的工作场合和要求。
它们在能量转换领域具有广泛的应用前景，能够带来巨大的经济和环境效益。
圆盘型弯张换能器研究
Ａ Ｓ Ｓ分析 和水池测试 得到换能器 的电声性 能 ： 能器 谐振频率为 １８０Ｈｚ最大发 射 电压 响应为 １０ｄ 最大声 源级 ＮＹ 换 ０ ， Ｂ， １
为 １０ｄ 电声 效 率 为 ７ ％ ． 能 器 样 品 直 径 ２０ ｉ 厚 度 ４ ７ Ｂ， ６ 换 １ ｎ， ｎ ６ｍｍ， 量 仅 ３ ８ｋ ． 果 表 明 ： 种 换 能 器 具 有 低 频 小 尺 重 ． ｇ 结 这
式． 提出将两者联合 的设计思 想并设计研制 了一种 圆盘型弯 张换 能器 ， 换能 器结构 中采 用径 向极化 的压 电陶瓷 （ Ｚ ４ ＰＴ） 圆环驱动弯 曲圆盘振 动 ， 圆盘的 中间部分设计一个 圆拱 型 内凹结构 ， 其工作 方式类 似于 Ｖ型弯 张换能 器的单侧振 动壳 ，
圆盘 外 面 的 环形 部 分 采 用 ２ ｍ 的均 匀 厚 度 ， 且 加 工 径 向槽 分 割 成 ｌ 均 匀 的 扇 形 结 构 ． 制 了 换 能 器 样 品 ， 过 ０ｍ 并 ６个 研 通
，
（ ．ｎｔｕｅｏ Ａ ｏ ｓｃ ， ｈｎｓ ｃｄｍ ｆＳｉ ｃｓ ｅ ｉｇ１０ ９ １ Ｉｓｔｔ ｆ ｃｕｔ ｓ Ｃ ｉｅｅＡ ａｅ ｙ ｏ ｃｅ ｅ ，Ｂ ｉｎ ０ １０，Ｃ ｉａ ２ ｒｄ ａ ｎｖｒｔ Ｃ ｉ ｓ ｃｄ ｍ ｆ ｃ ｉ ｉ ｎ ｊ ｈｎ ；．Ｇ ａｕ ｔ Ｕ ｉ ｓｙ ｈｎ ｅＡ ａｅ ｙｏ Ｓｉ ｅ ｅ ｉ ｅ — ｅｃｓ Ｂ ｉｎ ０ ０９ ｈｎ ） ｎｅ ， ｅ ｉｇ１０ ２ ，Ｃ ｉａ ｊ
பைடு நூலகம்
ｄｓ ｅｔ ｓ ｎ ｌｒｎｄ ｃｒ ａ ｅｔｄ ｎｔｅｄ ｓ ｎａｒｄａ ｙｐｌｒ ｅ ｉｚｅ ｃ ｉ ｃｒｍ ｃ （ Ｚ ４ ｉ ｇｗ ｓ ｉ ｆ ｘｅ ｉ ａ ｔ ｓｕ ｅ ｓｔ ｅ ．Ｉ ｈ ｅｉ ａ ｉ ｌ ｏ ｉ ｄｐｅｏ ｌ ｔｃ ｅａ ｉ Ｐ Ｔ ）ｒ ａ ｃｌ ｎ ｏ ａ ｗ ｓ ｇ ｌ ａ ｚ ｅ ｒ ｎ
哈尔滨工程大学学报 201007圆盘型弯张换能器研究
第31卷第7期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 V o.l 31l .72010年7月Jour nal ofH arb i n Engineeri n g U niversity Ju.l 2010do:i 10.3969/.j issn .1006-7043.2010.07.024圆盘型弯张换能器研究莫喜平1,戴郁郁1,2,刘永平1,柴 勇1,刘慧生1,2(1.中国科学院声学研究所,北京100190;2.中国科学院研究生院,北京100029)摘 要:弯张换能器和弯曲圆盘换能器利用金属结构体的弯曲振动产生声辐射,是低频水声发射器广泛采用的结构形式.提出将两者联合的设计思想并设计研制了一种圆盘型弯张换能器,换能器结构中采用径向极化的压电陶瓷(PZT4)圆环驱动弯曲圆盘振动,圆盘的中间部分设计一个圆拱型内凹结构,其工作方式类似于V 型弯张换能器的单侧振动壳,圆盘外面的环形部分采用20mm 的均匀厚度,并且加工径向槽分割成16个均匀的扇形结构.研制了换能器样品,通过AN SYS 分析和水池测试得到换能器的电声性能:换能器谐振频率为1800H z ,最大发射电压响应为110dB ,最大声源级为170dB ,电声效率为76%.换能器样品直径210mm ,厚度46mm,重量仅3.8kg .结果表明:这种换能器具有低频小尺寸高效率的特点,在小型低频声纳发射系统和主动噪声控制系统方面将有良好的应用前景.关键词:圆盘型;弯张换能器;电声效率;有限元中图分类号:T B565.1 文献标志码:A 文章编号:1006-7043(2010)07-0963-04A disc flextensional transducerM O X -i p ing 1,DA I Yu -yu 1,2,L I U Y ong -p ing 1,CHA I Yong 1,L I U Hu-i sheng1,2(1.Instit ute o f A cousti cs ,Ch i nese A cade m y of Sc i ences ,Be iji ng 100190,Ch i na ;2.G raduate U n i v ers it y Ch i nese A cade m y of Sc-iences ,Be ijing 100029,Ch i na)Abst ract :Flex tensi o na l transducers and bender d i s c transducers are generally used as lo w frequency pr o jectors rad-i ating sound by the fl e xure of a m etal struct u re .The au t h ors developed a concept integ rati n g both ,and the resulti n g disc flextensional transducer w as tested .In the desi g n a rad ially po larized p i e zoe lectric cera m ic (PZT4)ri n g w as used to drive a bending d isc .The a vau lted roo f i n its center section w as si m ilar to the si n g le -sided she ll of a class V flextensional transducer .The outer c ircular section of the d isc ,w ith a th ickness of 20mm ,w as div i d ed i n to 16u -n ifo r m fan -shaped pieces ,each separated by gaps .The electr o -acoustic perfor m ance of the pr o totype of t h e disc flextensional transducer w as si m u l a ted by ANSYS soft w are and a lso m easured i n a w ater tank .The m ax i m u m trans -m itti n g voltage response leve lw as 110dB and the m ax i m um source leve lw as 170dB .A t the resonance frequency of 1,800H z ,t h e electr o -acoustic e ffi c iency w as 76%.The dia m eter o f the transducer is 210mm,the thickness is 46mm ,and the w e i g h t is 3.8kg .The resu lts sho w ed t h at t h e transducer is capable o f generati n g lo w frequenc ies ,is s m a l,l and is h i g hly e fficien.t It w ill be w ell su ited for applicati o ns requiring m i n iature lo w-frequency sonar trans -m issi o n syste m s and lo w-frequency acti v e no ise contro l syste m s .K eywords :d isc ;flextensional transducer ;electroacoustic efficiency ;FE M 收稿日期:2010-05-17.作者简介:莫喜平(1966-),男,研究员,博士生导师,E-m ai:l moxp@m ai .l i oa .ac .cn ;通信作者:莫喜平.弯张换能器是利用压电陶瓷堆或磁致伸缩棒的纵振动来激励具有振幅放大效应外壳(或桶条梁)辐射面作弯曲振动的一类换能器,常用的弯张换能器根据其结构特点分为7种类[1],其中Ñ、Ò、Ó型具有共同特点)))由纵振动棒激发旋转对称弯曲壳体,壳体可以是连续结构也可以是切缝加工成一组梁的结构,亦可设计成2节或2节以上结构展宽频带和增大发射功率;Ô型和×型具有共同特点)))换能器由纵振动棒激发凸形或凹形椭圆壳体的弯曲振动实现大功率辐射;Õ型和Ö型具有共同特点)))换能器由圆环径向振动激发凸形或凹形球冠壳体的弯曲振动实现低频大功率辐射.弯张换能器的各种形式也是人们利用了弯曲-伸张的基本概念,通过创新设计而产生的新型结构,其实目前广泛投入使用的弯张换能器已经不仅限于这7种类型[2].随着换能器建模技术的发展和有限元计算工具的普及使复杂结构换能器的设计研究得到长足的发展,其中弯张换能器的发展可以归纳成几种趋势:1)改善结构、提高换能器功能材料的驱动潜能、通过优化结构增大体积位移输出、实现大功率辐射,如鱼唇式弯张换能器[3]采用了变高度椭圆壳的振幅放大效应与面积加权作用提高声辐射能力;2)在有限体积内增加功能材料的体积比,从而增加换能器的体积优值系数[1],如辐射面多边星型(A stro i d)[1]弯张换能器,又如星型激励V型弯张换能器[4],该设计中采用了8只压电堆组成星型激励V型(碟形)弯张换能器,谐振频率860H z、发射电压响应134dB,理论估算声源级200dB;3)增到换能器的结构尺寸实现更大声源级和更低频率的声辐射,如美国LFA主动声纳声呐阵换能器发射声源级为215dB,工作频带为100~500H z[5];4)弯张换能器的宽带设计,如采用压电和稀土材料联合激励实现低频宽带的发射性能[6];5)小型化设计,如钹型(Cy mbal)换能器即是一种类似于V型弯张换能器的结构形式,由一个PZT压电陶瓷圆片与一对金属帽粘接起来构成,文献[7]报导的钹型换能器水中谐振频率16.1k H z,发射电压响应130dB,并用这种换能器研制了9元基阵.本文将提出一种新的弯张换能器小型化设计思想.1圆盘型弯张换能器的工作原理如图1所示,图1(a)为振动圆盘的扇形面,圆心角为H,圆盘的工作方式如图1(b)所示,压电陶瓷环嵌入圆盘的中心部分内凹的拱形腔内,压电陶瓷环作径向振动,激励圆盘弯曲振动,类似于V型弯张换能器.一阶振动模在r=r0处有一节线,节线内侧与外侧振动相互反相,圆盘的厚度随r而变,记为H(r),圆盘的弯曲振动产生法相位移为V(r),忽略压电陶瓷环的法相方向振动贡献,则圆盘的法相振动造成节线两侧动量分量应该相等:Q r0Q V(r)r H H(r)d r=Q R r0Q V(r)r H H(r)d r.(1)图1圆盘型弯张换能器工作原理图F i g.1Sketch of d i sc fl ex tensiona l transducer式中:Q为振动圆盘的密度.设计圆盘节线外侧的厚度为恒定值H0,节线内部区域可以等效一个参考厚度H e:H e=Q r0V(r)r H H(r)d rQ r0V(r)r H d r.(2)于是由式(1)可以得到Q r0V(r)r H d rQ Rr0V(r)r H d r=H0H e.(3)由式(3)可以发现,左边是节线两侧体积位移的比值,为了得到较好的辐射输出,应该设计使这个比值远远大于1.因此设计中应该使振动圆盘中心内凹部分的厚度尽量小,从而得到更大的体积位移输出.在设计中为了减少边缘较厚圆盘横向耦合对弯曲振动的抑制作用,采取径向切槽处理,将圆盘均匀分成16等分.#964#哈尔滨工程大学学报第31卷2 圆盘型弯张换能器的有限元建模与模拟分析圆环激励的圆盘弯曲振动可以利用ANSYS 有限元软件建模分析,分析模型为1/16圆的扇形结构,加对称边界条件等效成圆盘型弯张换能器的完整模型.模型结构参数:圆盘直径为 200mm,厚度为20mm,内凹部分直径为 64mm,与压电陶瓷环外径相配合,内凹部分最大厚度为10mm ,圆盘中心点厚度为3mm,圆盘材料为硬铝,圆盘均匀切缝,缝宽为3mm.PZT4压电陶瓷环,径向极化,几何尺寸为 64mm @ 51mm @7.5mm.图2 换能器一阶弯曲模位移矢量图F i g .2 D isplace m ent vec t o r d isplays of first flexura lmode图3 换能器水中导纳曲线的计算结果F i g .3 A d m ittance o f transducer under w ater (ca lcu l a ted)材料参数参见文献[8].用ANSYS 软件进行了模态分析、水中谐波响应分析和发射特性计算,图2为换能器一阶弯曲模位移矢量图,图3为换能器水中导纳曲线计算结果,图4为换能器水中导纳圆图,图5为换能器发射电压响应曲线计算结果.结果表明:换能器空气中谐振频率为2.08k H z ,节线位置在r 0U 0.7R 处;水中谐振频率为1.8k H z ,谐振频率下发射电压响应109.5dB (0dB =1V /L Pa at 1m ),谐振频率下等效电阻为1.3M 8.图4 换能器导纳圆图F i g .4 A d m ittance circle diag ra m of transducer图5 换能器发射电压响应计算曲线F ig .5 T rans m itti ng vo ltage response (calcu lated)3 圆盘型弯张换能器的样品研制换能器实际制作采用如图6所示的封装模式,单面辐射,背侧用去耦隔振垫板与外壳振动隔离.图7为换能器振动部分的实物照片,图8为换能器封装后的照片,换能器外观尺寸为 210mm @46mm 重量3.8kg ,研制了2只换能器样品,在水池测试得到如图9所示的发射电压响应结果.测试结果与计算值吻合很好:2只换能器的谐振频率为1.8kH z ,谐振频率下发射电压响应110dB(0dB =1V /L Pa at 1m ),工作电压1000V,最大声源级170dB .该换能器具有远小于水中波长的几何尺寸,换能器在谐振频率下发射为全向,根据上述结果,可以计算换能器的电声效率为76%.#965#第7期 莫喜平,等:圆盘型弯张换能器研究图6 换能器封装示意图F i g .6 Sketch of t he transducerstructure图7 换能器振动部分照片F i g .7 Photograph o f thedisc图8 换能器封装后实物照片F i g .8 Pho tog raph o f thetransducer图9 2只换能器发射电压响应测试结果F ig .9T rans m itti ng vo ltage response o f t w o transducers (m easured)4 结束语设计研制了小尺寸、高效率的圆盘型弯张换能器,换能器具有中等发射声源级和薄型结构尺寸,对于小型水声发射系统、低频主动消声和减隔振系统有潜在的应有优势.若对于圆盘振动模式的节线位置进行优化调整,使式(2)得到的比值增大,会使系统的发射能力进一步提高,如此可在边界条件控制上寻求技术途径,如采用边缘简支边界条件,使圆盘振动面上没有内部节线,这样可以获得最大的发射能力,同时会由于辐射阻增加和等效质量增大,将使谐振频率进一步降低.参考文献:[1]S H ERMAN C H,BUTLER J L.T ransduce rs and arrays fo runder w ate r sound [M ].N ew Y ork :Spri nger ,2007:16-136.[2]莫喜平.第三讲让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术[J].物理,2006,35(5):414-419.M O X i ping .Innova tions f o r sonar :new technology and de -si gns for underwa ter acoustic transducers [J ].Physics ,2006,35(5):414-419.[3]M O X i p i ng ,Z HU H ouqi ng .A ne w t ype of lo w frequencyh i gh po w er terfeno -l D unde r w ater acoustical transducer [J].A cta A custica ,2002,88:796-798.[4]李朝晖,黄爱根,栾桂冬,等.一种具有紧凑结构的860H z 大功率发射换能器研制[J].声学技术,2006,25(增刊):563-564.L I Zhaohu,i HUANG A i gen ,LUAN G uidong ,et a.l An 860H z co m pac t structural and h i gh -powe r transducer [J].T echn ical A cousti cs ,2006,25(Supple m ent):563-564.[5]PO PPER A N,HALVOR SEN M B 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新型弯曲圆盘换能器阵的研究
。
换 能 器 阵是 将 弯 曲 圆盘 基 元 在 高 度 方 向上 按
一
其
定 间隔堆 叠而 成 ，如 图 ２所 示 。换能器 的辐 射 阻
乙 １】
抗 决定 于声压 对其 辐射 面 的作用 。弯 曲圆盘换 能器 阵 中每 个辐 射 阵元处 于整 个阵 的辐射 声场 中 ，它面
１ ０
中 ， １为基 元 １ Ｃ１ 的容 抗 ， １ ｍ１为基 元 １ 自质 量抗 ， 的 Ｒ１为基 元 １的 自辐 射 阻 。 ｒ ｌ Ｚ 是其 他所有 基元 对基 元
２ １ 年 第 １期 ０ １
声 学 与 电子 工程
总 第 １ １期 ０
新型弯 曲圆盘换 能器 阵的研 究
顾 磊 胡健辉 王艳 陈光 华 张睿 陈庆瑞 （ 中船重＿ 第七＿ ．研 究所 ，上 海，２ １ ８ Ｙ － － Ｚ， － ， ． － ０１ ） ０
摘 要 新 型 弯 曲圆 盘 换 能 器 是在 传 统 的三 叠 片 的基 础 上 改 进 而 成 的 ， 结 构 是 两 片对 称 发射 的双 叠 片 ， 其 通 过 薄 圆 环 连接 在 一 起 。 陶 瓷 片 的 径 向 振 动 激 发 换 能 器 产 生 弯 曲振 动 ，实现 低 频 发 射 。 新 型 弯 曲圆 盘 换 能 器 阵 是 通 过 将 换 能器 基 元 在 高 度 方 向 上 成 阵 ， 利 用 换 能 器 之 间 强 烈 的 互 辐 射 作 用 ， 进 一 步 降 低 了换 能 器 频 率 ， 并提 高 了换 能器 的发 射 电压 响 应 。
式 中： １ 号 基元 自身辐 射场 声压 作用 在 自身辐 射 ． １
面上 产生 的力 ； ２ ． 基元辐 射 声压作 用在 １ 源 ２号 号
加筋式Ⅳ型弯张换能器研究
声学与电子工程
总第 135 期
加筋式 IV 型弯张换能器研究
马振 刘佳卉 （第七一五研究所,杭州，310023）
摘要 为节约开发成本和加快产品研制进程，探讨在不改变原有 IV 型弯换能器结构的基础上，在换能器 壳体表面焊接加强筋板，增加壳体刚度，提升换能器谐振频率和工作带宽。文章利用该方法，将一只 IV 型弯 张换能器的谐振频率由 1.575 kHz 提升至 1.85 kHz，工作带宽从 300 Hz 增加至 360 Hz，同时提高了换能器的 耐静水压力性能。
通过上述仿真可以看出：（1）增大筋板的宽度 可提高换能器的谐振频率。其中筋板宽度不大于壳 体宽度的 40%时频率提升较多。（2）无筋板与加宽 度占比为 10%的情况相比，宽度占比 10%的情况下 的谐振处响应降低、带宽增大。这是由于筋板的存 在使壳体成为一个复合梁，降低壳体与振子耦合程 度。（3）筋板占比从 10%增加至 100%，换能器响 应逐渐提升，品质因数逐渐升高。响应的提升是因 为筋板占比的增加，提高了换能器谐振频率，在辐 射面积基本不变的情况下增大了辐射阻抗[2]。品质 因数提升主要是由壳体刚度增加引起的。
k m
（1）
式中，0 是换能器谐振角频率，k 是换能器等效刚
度，m 是换能器等效质量。可以看出，通过提升换 能器刚度和减轻质量可以提高换能器谐振频率。壳 体加筋提升谐振频率的机理就是加筋增大壳体的 等效刚度。这里对刚度影响最大的因素就是筋板的 宽度与厚度。图 7 是加筋后换能器模型。考虑结构 的对称性，筋板位于壳体中间位置。
1 初始 IV 型弯张换能器
1.1 初始换能器模型 初始的 IV 型弯张换能器长轴为 300 mm，短轴
为 150 mm，壳体高度为 100 mm。结构模型如图 1。
CYMBAL换能器及成阵技术研究
哈尔滨工程大学硕士学位论文张换能器领先了２５年【“１。
１９３６年，在Ｈａｙｅｓ的“发声及定向装置”专利中［１２１，解释了弯张换能器的工作原理。
现代弯张换能器中，驱动元件上的预应力通常是由壳体施加的，Ｈａｙｅｓ是通过张紧的棒来给驱动元件提供预应力的。
他制作的带有两块凸形板的弯张换能器到目前为止可能也是最大的。
两板的尺寸为１．８×０．３一，椭圆的短轴与长轴之比为０．４５，壳厚为０．３２ｃｍ。
在空气中谐振频率为５４０Ｈｚ，当时作为雾中声源【ｌ“。
二十世纪五十年代中期Ｔｏｔｔｌｉｓ和他的同事们首次将弯张换能器应用于水声中。
１９６６年，Ｔｏｕｌｉｓ的发明获得了美国专利【ｌ”，“ｆｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ”这个名字就是首次出现在这个专利之中，因为它是由驱动元件的伸张振动和壳体的弯曲振动组合而成的，如图１．１所示。
在这个设计中ＴｏｕｌｉＳ采用的驱动元件是压电陶瓷。
与Ｔｏｕｌｉｓ同时代的还有两位对弯张换能器的研究和发展作出了积极贡献。
一位是美国海军电子实验室（现称为海军海洋系统中心，简称为ＮＯＳＣ）的ＦｒａｎｋＲ．Ａｂｂｏｔｔ，他发明了压电陶瓷圆环驱动的轴对称飞碟形的径向辐射弯张换能器，并获得了１９５９年的专利。
另一位是ＨｏｗａｒｄＣ．Ｍｅｒｃｈａｎｔ发明的Ⅶ型弯张换能器（如图１．２所示），他几乎和ＴｏｕｌｉＳ同时获得了１９６６年的专利““。
两者的主要区别就是在换能器壳体的几何形状上。
Ｔｏｕｌｉｓ碟状换能器采用的是完全凸面的椭圆形壳，而Ｍｅｒｃｈａｎｔ采用的是壳体是凹面的。
水中的流体静压力会上凸形结构中的激励元件上的预应力随着工作深度的增加而减小，而凹形结构恰恰相反，激励元件上的预应力随着工作深度的增加而增加，这样的改变使得换能器的极限工作深度大大的增加了。
图１．１ｗ．Ｊ．Ｔｏｕｌｉｓ的换能器图１．２Ｍｅｒｃｈａｎｔ的换能器弯张换能器是当代声纳向低频、大功率方向发展的过程中比较理想的一哈尔滨工程大学硕士学位论文图１．３弯张换能器的类型Ｉ型：由一系列圆拱形弯曲梁围成一个类似于圆桶形的振动辐射面，沿长轴方向插入压电堆或磁致伸缩棒作激励元件，激励元件的纵振动激励桶型辐射面作弯曲振动。
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弯张换能器密排成阵性能的研究作者：顾汉炳夏铁坚郝浩琦来源：《声学与电子工程》2019年第01期摘要 IV型弯张换能器极为适宜作为低频大功率发射声源使用，为获得更优的综合性能，通常利用多个换能器组合成阵。
为了实现小尺寸空间内声源级、带宽、指向性等指标的最优设计，采用密排的形式进行布阵，利用Ansys有限元软件，对_二元阵不同排布形式和间隔下的性能进行对比仿真分析，总结了IV型弯张换能器在密排形式下布阵所产生的规律，用四极子模型进行了解释，并进行了实测数据的验证。
测试结果与仿真较为符合，说明与常规半波长布阵形式相比，密排布阵确实能有效降低谐振频率，拓展带宽，获得全方向指向性。
关键词 IV型弯张换能器;密排;四极子模型：低頻随着西方国家潜艇浮筏减振、复合消声瓦技术的发展，潜艇自噪声进一步降低，隐蔽性增强，中高频主动声呐对敷瓦潜艇的探测距离大幅下降，低频大功率主动声呐目前在世界上被认为是对敷瓦潜艇最有效的探测手段[1]。
在0.3-3 kHz频段内的大功率发射换能器中，弯张换能器综合性能最优，其流线型的外型结构、较小的体积重量、极高的功率/体积比等特性，尤其适合充当低频主动拖曳系统的声源[2]。
为获得更高的声源级和特定的波束宽度，一般采用多个弯张换能器组合布阵。
而换能器成阵最为关注的是如何在有限的空间内实现声源级、带宽、指向性等指标的最优设计。
基于上述需求，本文对弯张换能器不同间距、不同布阵形式下性能进行了研究。
1 单换能器性能IV型弯张换能器由一椭圆柱壳体和内部的驱动振子组成，通过驱动振子的伸缩运动来带动壳体的弯曲振动。
由于椭圆壳体具有位移放大的效果，使得长轴方向较小的伸缩振动在短轴处被放大，从而实现小尺寸低频大功率声辐射。
IV型弯张换能器结构较为复杂，利用常规的理论计算难度较大且精度较低，因此通常采用有限元方法来进行仿真分析。
图1是一个常规IV型弯张换能器有限元模型。
对该换能器进行空气中的模态分析，提取其一阶振动位移矢量图如图2所示。
从图中可以明显地看出短轴处的振动位移远大于长轴，并且长短轴上振动位移相位相反，因此长轴端的振动位移对总响应起了削弱的作用。
建立水中模型并进行谐响应分析，获得换能器各方向发送电压响应如图3所示（图中横坐标以谐振频率f0对频率进行归一化处理，下文同）。
图3中SVLx指的是长轴方向的发送电压响应，SVLv指的是短轴方向的响应，SVLz指的是高度方向的响应。
从图3中可以看到长轴方向的响应最大，短轴方向的响应最小，高度方向与短轴方向接近，但比短轴小，这可以通过四极子模型来进行解释（见图4）。
四极子模型主要是将整个换能器等效为四个小脉动球源。
短轴部分两侧壳体为主要振动位置，振动位移大，因此等效为振幅较大的正极子部分;长轴部分反向振动，且振动位移相比正向振动部分小很多，因此理解为体积较小的负极子。
6表示两正极子部分的等效间隔，以表示两负极子部分的等效间隔，由换能器长轴大于短轴的结构可知a>b。
X.y、Z分别表示长轴、短轴和高度方向远场观察点，到换能器中心的距离都为r。
则求空间辐射的声压只要将这四个脉动球源在空间上的声压叠加即可[3]。
2 二元不同布阵形式经典的布阵方式通常采用1/2波长布阵，导致占用空间较大。
因此考虑密排布阵的形式，一方面压缩整体阵体积，另一方面利用互辐射获得宽带、降低频率等的效果。
为了便于模型的简单化，对最基本的二元阵进行分析。
二元阵布阵通常采用三种形式：长轴排列、短轴排列和高度方向排列。
2.1 长轴方向密排成阵图5是换能器长轴排列的布阵形式。
长轴方向本身尺寸较长，考虑布阵间隔从1/2波长缩减至1/4波长，以1/8波长为间隔（布阵间隔指的是换能器中心点之间的间隔）。
具体仿真结果如表l所示（表中以单换能器谐振频率fo对频率和带宽进行归一化处理，下文同）。
为便于对比，表中加入了单换能器的一些数据。
从表l中可以看出随着布阵间隔的减小，谐振频率变化幅度不大，响应差别较大，带宽有了一定程度上的增加。
2.1.1 不同间隔下谐振点响应值分析整理不同布阵间隔下各方向的谐振点响应值如图6所示。
从同一间隔下谐振点的响应可以看出，当换能器按长轴方向排列之后，高度方向的响应最大，短轴方向的响应次之，长轴方向的响应遭到了较大削弱，短轴和高度方向的响应较为接近。
这也可以通过四极子模型来进行解释。
由之前单换能器四极子模型可知，响应受幅值和相位的影响。
因此从这两个角度来进行分析。
在同一个布阵间隔下，换能器振动位移一致，幅值相同，主要受相位影响。
图7中，左侧正极子点和右侧正极子点到长轴观察点X的声程差为布阵间距L，到短轴观察点y的声程差为6，6从同一方向不同布阵间隔下的谐振点响应可以看出，短轴和高度方向的响应值随布阵间隔的减小而下降，长轴方向的响应值随布阵间隔的减小而上升。
图8为密排之后换能器谐振点长短轴方向的振动位移，从图中可见，主振部位短轴轴点位置的振动位移随着布阵间隔的减小而下降。
这主要是由于当布阵间隔减小之后，相互脉动球源之间的互辐射作用逐渐加强，抑制了壳体的振动位移。
这就造成了极子点声压幅值大小的下降。
高度方向和短轴方向随着布阵间隔的变化，极子点到观测点相位并没有发生变化，响应主要受幅值影响，因此随布阵间隔的下降，响应有了一定程度上的削弱。
但长轴方向与高度、短轴方向不同，极子点到观测点的相位随布阵间隔的减小而下降，逐渐向响应同向叠加转变，此时相位差对响应产生的影响远比幅值大，因此长轴方向谐振点的响应反而随着布阵间隔的下降而上升。
2.1.2 不同间隔下谐振点指向性情况分析由于上下盖板通常安装在高度方向上，并从盖板方向进行吊放测试，因此指向性情况主要考虑的是换能器长短轴所在平面。
读取不同布阵间隔下换能器谐振点的水平面内指向性（即长短轴平面），如图9所示（0°表示长轴方向，270 °表示短轴方向，下文同）。
当1/2波长布阵时，由四极子模型的分析可知两侧正极子到长轴观测点X的相位相反，响应反向叠加，削弱最为严重，形成“8”字指向性。
随着间隔的不断减小，相位差不断减小，各方向响应值逐渐接近，最大响应差由之前的13.7 dB逐渐缩减为2.7 dB，即由“8”字指向性往全指向性发展。
2.1.3 不同间隔密排下宽带响应分析由表1已经可以看出，当换能器的布阵间隔减小后带宽有所增加。
这主要是由于谐振点互辐射作用强，响应值削弱较大，而远离谐振点互辐射作用较小，响应值削弱较少所引起的。
但是该带宽主要表示谐振点附近的响应曲线变化，允许波动范围较小，缺少整个工作频段内响应情况。
给出二元阵在0-3.3f Hz以内的响应曲线，见图10-12。
从图中對比可以看出，高度和短轴方向的响应曲线变化幅度不大，主要是对谐振点附近的响应值产生影响。
原因是随着布阵间隔的减小，互辐射作用逐渐增强，削弱了谐振点的响应值，使得谐振点附近带宽增加这点在表1的带宽中也可以看出。
而长轴方向的响应曲线受换能器密排布阵的影响较大，存在一个明显削弱的凹谷，随着布阵间隔的减小，这个凹谷逐渐从一阶谐振位置向二阶移动。
分析其原因，也可以用四极子模型来解释。
在凹谷位置时，换能器极子点到长轴方向观察点的声程差为1/2波长，左侧极子点和右侧极子点相位差近似180°，声压反向叠加，使得响应值较低。
声压反向叠加位置的条件为：当布阵间隔减小时，声程差r差减小，声压反向叠加位置的频率增大，因此响应凹谷位置逐渐向高频移动。
举个例子来说，当间隔为1/4波长时，换能器间隔为：将其代入声压反向叠加位置的条件，可得：解得f=2f0，即当频率在2f0左右时，左右两侧极子点到长轴观测点的相位差满足180°，响应反向叠加削弱，从图12中看到当1/4波长为间隔时确实在2fo左右存在一个较深的凹谷，理论与实际相符合。
在这个凹谷位置，响应差值会达到近15 dB，出现较为明显的指向性，这对宽带较为不利，因此在密排布阵时需要通过调节间距将此凹谷移到所需工作频段之外。
2.2 高度方向密排布阵图13是换能器高度排列的布阵形式。
不同高度间隔下换能器阵的性能如表2所示。
高度方向比长轴方向排得更密，因此加入了在超小间隔10 mm下的换能器性能（10 mm指的是两换能器高度方向中间水域的间隔）。
为了增加对比性加入了单换能器的性能。
基本规律同长轴排列的四极子模型解释类似，需要注意的是，高度方向密排主要影响的是高度方向的响应。
当间隔<差1/8波长时，对响应层面上的削弱较小，各方向响应大小规律基本和单换能器一致，主要影响换能器谐振频率。
同时极小间隔10 mm布阵时，带宽不再随布阵间距的下降而上升，反而呈现下降趋势。
以下针对这两个不同点进行解释。
（1）小间隔下谐振频率的下降换能器谐振频率的计算公式为[4]：式中，k eff是换能器的等效刚度，m eff是换能器的等效质量。
在小间隔排布下，换能器之间的互辐射作用增强，使得互辐射抗增加，从而弯张换能器的同振质量增加，增大了m eff，因此较大程度上降低其谐振频率。
（2）极小间隔下带宽的下降文献[5]中两个脉动小球源之间的互辐射作用见图14。
从图中可以看到，在极小间隔下，互辐射抗的作用急剧增加，但互辐射阻增长不大，趋于稳态;而在1/2波长-1/8波长区间，互辐射阻值远比抗值的增加大。
对于单一振动模态单一谐振的换能器，其带宽特性的定义是用机械品质因数Q m值来表示：式中，f r表示的是单一谐振频率，△f是电导响应下降3 dB的频带宽度。
用等效集总参数类比电路可将Q m值写成：式中，ω为谐振角频率，R为换能器的辐射阻、机械损耗阻之和，M e是换能器的等效质量。
由脉动小球源间互辐射理论得到，在极小间隔下，互辐射抗急剧增加，而互辐射阻增加较少，即等效质量的增加远大于等效阻值，因此品质因数Q m增加。
而fr由于互辐射抗的增加有一定程度的下降，因此由式（6）可知，△f必定有所下降。
利用该理论也可以从另一个角度解释为何布阵间隔从1/2减到1/8时，带宽反而有所增加。
在这个阶段互辐射阻的增加远大于互辐射抗，这就使得R增加，导致Qm值下降，在谐振频率f r变化不大的情况下，由式（5）可得△厂有所上升。
总的来说，这几个参数之间是互相产生影响的，在1/8波长为间隔时带宽最大。
2.3 短轴方向密排布阵图15是换能器短轴排列的布阵形式。
短轴方向不同间隔下阵的性能如表3所示。
基本规律同长轴排列，短轴密排主要影响的是短轴方向的响应。
小间隔下也降低了谐振频率，增大了带宽。
3 实际测试仿真过程中为了简化运算，仅针对两元阵进行分析。
当多元密排时就相当于将二元密排中的规律进一步强化。
本文利用现有的换能器进行测量，选择了几组实测数据与仿真规律进行对比。
3.1 高度方向多元密排降低频率以5 mm为间隔从高度方向不断增加换能器数量，响应如图16所示，图17是与之对应的仿真结果图。