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我國水聲換能器技術研究進展

作者: 長沙金信諾防務  來源: www.6370205.live  時間:2019年12月24日
  水聲換能器是在水介質中實現聲與其他形式能量或信息轉換的一類傳感器;水聲換能器是聲吶系統最前端的設備,也是聲吶系統與水介質相互作用、交流信息的“窗口”。水聲換能器技術研發領域涉及多學科交叉融合,與之密切關聯的學科主要包括:物理學、材料學、數學、力學、電子學、化學、機械學等,因此水聲換能器的發展與其他基礎學科的成就息息相關,并同時受到各個關聯學科發展的制約。從我國水聲換能器數十年發展歷史來看,最大的發展動力來自于水聲技術領域的應用需求,而直至20世紀末我國水聲換能器技術發展還缺乏全局性和系統性。
  近20年,我國水聲換能器技術逐步進入系統性發展階段,從新材料應用、新結構、新工藝方面實現換能器綜合技術性能的優化與提升,在幾個典型技術方向上形成了系列研究成果。
  ⒈低頻換能器研究進展
  針對超遠程水下信息傳輸和超隱身潛艇探測發展的迫切需求,低頻發射換能器成為21 世紀以來水聲換能器領域最受關注的熱點方向之一,國外超遠程探測與通訊聲吶工作頻帶已經降低到100Hz左右。低頻換能器涉及許多理論和技術層面的問題,目前還沒有很好地解決,這方面仍將是未來發展中的研究熱點與關注焦點。本節選擇彎曲振動低頻換能器和彎張換能器的研究工作,總結其中的新技術成果。
 ?、艔澢駝拥皖l換能器
  低頻換能器的發展首先面對的技術問題就是幾何尺寸,一般諧振式換能器的工作頻率與幾何尺寸成反比,也就是說換能器的頻率越低則幾何尺寸將會越大,彎曲振動可以有效縮減低頻換能器的幾何尺寸。國內近20年在彎曲振動低頻換能器方面的新設計主要包括彎曲梁換能器類、彎曲圓盤換能器類等。
 ?、購澢簱Q能器。劉永平等設計一種圓筒懸臂梁寬帶發射換能器(圖1a),結構設計中將彎曲振動模態頻率低的特點和多模態振動耦合拓寬頻帶的方法結合起來。柴勇等提出一種管梁耦合圓環換能器(圖1b),通過在鑲拼圓環換能器中加入彎曲梁組成管梁耦合結構,增加了有效工作模態。利用多模耦合作用實現低頻、寬帶工作特性。采用了溢流結構,經過3 000m深海潛標實際應用驗證了其耐靜水壓能力。Xu等提出柱面彎曲低頻換能器的2種設計方案(圖1c和d),進行了系列仿真模擬,給出了新型磁致伸縮材料 Terfenol-D 及 Galfenol 驅動的發射響應曲線,展示了該換能器結構具有超低頻應用的潛力。
(a)中0為固定梁,1~5為不同厚度的柱面梁
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圖1 彎曲梁低頻換能器的新設計
 ?、趶澢鷪A盤換能器。彎曲圓盤換能器包括三疊片、雙疊片結構等。圖2a所示為一對雙疊片組成的緊湊型彎曲圓盤換能器,國外研究工作比較成熟,劉繼伍對這種基本結構彎曲圓盤換能器進行了深入研究。從這種基本結構出發,通過設計液腔和對驅動方式進行改進,產生了一些新設計。圖2b是鑲拼環驅動的彎曲圓盤換能器。圖2c的設計利用了不同尺寸的彎曲圓盤換能器組成基陣,采用不同驅動方式,實現寬帶工作。圖2d是溢流腔結構的彎曲圓盤換能器,設計中適當調整了液腔尺寸以滿足聲學性能要求。圖2e是鐵鎵合金(galfenol)驅動的彎曲圓盤換能器,采用的結構類似于縱向換能器,激發前輻射板彎曲振動。
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圖2 彎曲圓盤低頻換能器的新設計
 ?、茝潖垞Q能器
  彎張換能器的概念起始于Hayes 1936年的專利,基本工作方式是1個或多個伸縮振動的振子驅動彎曲振動殼體產生低頻聲輻射。我國關于彎張換能器的研究與應用從20世紀末開始活躍起來,研究人員設計了多種結構形式的彎張換能器,筆者在總結水聲換能器技術國際發展動態的文章中,依照結構和激勵方式將彎張換能器分為三大類,在此沿用這種分類方法,分別進行介紹。
 ?、僦徒Y構彎張換能器。該類換能器由縱向伸縮振子驅動平移彎曲振動殼體(圖3),換能器的振動殼體是一個平移結構體,即各種形狀的柱面殼,由1個或多個縱向伸縮的振子驅動,包括IV型彎張換能器及其變形結構、VII型彎張換能器、四邊形彎張換能器等。圖3a是典型的IV型彎張換能器結構形式,陳思等研制了弛豫鐵電單晶PMNT材料驅動的IV型彎張換能器。李寬和藍宇研制了稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D驅動的IV型彎張換能器。圖3b是VII型彎張換能器的新設計,采用稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D驅動,激勵方式在橫向尺寸最寬的部位設計1對平行振子,賀西平和李斌對該型換能器進行了深入的系列研究,包括預應力設計分析、理論建模、模態分析、實驗研究等。圖3c是對IV型彎張換能器改進的新設計,類似于I型彎張換能器到II型彎張換能器的設計改進,采用了長軸加長的橢圓殼結構,換能器采用弛豫鐵電單晶材料PMNT驅動,具有比一般 IV 型彎張換能器更優的寬帶工作特性。
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圖3 柱型結構彎張換能器
  圖3d是國內最早對IV型彎張換能器進行改進的新設計——魚唇式彎張換能器,其采用變高度橢圓殼體并應用了稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D驅動,這種特殊形狀的振動殼體具有杠桿臂效應和高度加權的雙放大作用。目前Terfenol-D魚唇式彎張換能器已經系列化,并設計成雙殼結構進一步提升發射功率,單只換能器最大聲功率可達萬瓦級,成為國內低頻大功率發射換能器的基本類型之一。圖3e是正交激勵四邊形彎張換能器,采用了一種結構緊湊的設計改進,可以在有限體積內增加更多的功能材料,提高發射聲源級。圖 3f是對 IV 型彎張換能器的另一改進新設計,類似于I型彎張換能器到III型彎張換能器的設計改進,其采用兩橢圓殼體沿長軸方向串聯為一體,用更長的壓電堆激勵,使縱向振子的諧振頻率降低而接近彎張殼體基頻模態,有利于模態耦合實現寬帶工作特性。圖3g是對IV型彎張換能器激勵振子的改進新設計,為折疊振子驅動的IV型彎張換能器,該結構結合低剛度的殼體材料可有效降低諧振頻率。
 ?、陂L型旋轉體彎張換能器。該類換能器由縱向伸縮振子驅動旋轉對稱彎曲振動殼體(圖 4),換能器的振動殼體是一個旋轉對稱結構體,或者沿圓周分布的一系列桶條梁,一般由 1 個縱向伸縮的振子驅動,包括I型彎張換能器、II型彎張換能器、III型彎張換能器的凸型結構和凹型結構等。圖4a為I型彎張換能器的凹型結構,亦稱為凹筒彎張換能器,蔡志恂等研制了Terfenol-D驅動的凹筒彎張換能器。圖4b為III型彎張換能器的凸型結構,亦稱為葫蘆式彎張換能器,Chai等研究了PZT和PZT+Terfenol-D聯合驅動的葫蘆式彎張換能器,對聯合激勵的發射特性參數進行了仿真分析。圖4c為磁致伸縮-壓電聯合激勵的凹筒彎張換能器,設計中應用了Terfenol-D和PZT兩種激勵元件組成復合縱向振子。圖4d為多壓電堆激勵的凹筒彎張換能器,在殼體不變和壓電陶瓷材料總體積相同前提下,分析不同個數(1~4個)壓電堆驅動對換能器性能的影響,設計研制了三壓電堆激勵的凹筒彎張換能器。
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圖4 長型旋轉體彎張換能器
 ?、郾庑托D體彎張換能器。該類換能器由徑向擴張振子驅動旋轉對稱彎曲振動殼體,換能器的振動殼體為 1個旋轉對稱結構體,一般為1 對凸或凹的球冠(或類球冠)或圓盤等組成,由1個徑向擴張的圓環或圓片振子驅動,包括V型彎張換能器、VI型彎張換能器、圓盤型彎張換能器等,在此介紹小尺寸V型彎張換能器——Cymbal和圓盤型彎張換能器。圖5a為小尺寸V型彎張換能器,由徑向振動的壓電陶瓷圓片驅動1對金屬端帽產生彎曲振動;圖5b為圓盤型彎張換能器,設計中采用PZT-4徑向極化壓電陶瓷環驅動彎曲圓盤,圓盤沿徑向切縫分成16等分的扇形結構減少橫向振動耦合。這2種結構形式的彎張換能器具有諧振頻率低、幾何尺寸小、電聲效率高等特點。
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圖5 扁型旋轉體彎張換能器
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