宽带纵振Tonpilz型水声换能器的优化设计

　　1 引言

　　宽频带技术是水声换能器领域中发展的一个重要趋势,国内外学者对此做过卓有成效的研究。但就目前在水声领域广泛采用的纵振Tonpilz型压电换能器而言,其频带展宽仍然是一个难攻的瓶颈问题。部分学者依据多模态原理对换能器的前辐射头附加阻抗匹配层来拓宽其频带宽度[1],取得了一定的效果。由于换能器的频带宽度vf是由其机械品质因素Qm决定(两者存在反比例关系),而机械品质因素不仅与压电材料、机械损耗和辐射阻抗有关,而且与换能器的结构参数也存在有密切的关系,本文就试图通过合理的调整换能器各部分的几何尺寸来达到降低机械品质因素的目的。研究结果表明,在没有采用其它频带展宽方法和保证换能器基本技术指标的前提下,通过优化几何参数,可以降低Qm值,拓宽其带宽。

　　2 换能器设计

　　Tonpilz在德语里有蘑菇的意思,如图1所示,这种外形类似于蘑菇样子的Tonpilz型水声换能器主要由三部分组成:前辐射头、压电晶堆和后盖板。当压电晶堆接受电场激励进行振动时,在压电晶堆的某处存在一个/节面0将换能器分为两个部分,节面处的振速为零,换能器以此为界向前后两个方向辐射声功率。为了增加前辐射头的声辐射,通常前辐射头选取硬铝等轻金属,后盖板选取钢等重金属,这样就增大了前后的振速比。前辐射头做成喇叭型的目的是:增大辐射面积,充分利用晶堆的功率量,同时也可以利用它来调节Qm值。节面前后的两个部分均拥有各自的频率方程:

　　对于拥有前辐射头的部分

　　对于拥有后盖板的部分

　　其中ρf、cf、kf、Sf1分别表示前辐射头的密度、声速、波数和前辐射头喉部横截面积;Qc、cc、kc、Sc及Lc1和Lc2分别表示压电晶堆的密度、声速、波数、截面面积及两部分晶堆的长度;Qb、cb、kb、Sb分别表示后盖板的密度、声速、波数和横截面积;F则为前辐射头的锥头参数,(Rf1、Rf2是前辐射头喉部及辐射面半径)

　　如果以前辐射头与压电晶堆交接面处速度作为参考的话,则换能器在水中的等效质量M如下:

　　将其换算成以辐射面速度uf为参考的等效质量Mf,则机械品质因素为:

　　其中:α为特定的(k水Rf2)时换能器实际的辐射阻与(ρc)水Sf2的比值;Gma为机声效率。

　　这样换能器在水中的频带宽度Δf为:

　　可以看出,换能器的机械品质因素与换能器各部分的几何参数有着密切的关系,通过合理的调整尺寸的大小,可以降低换能器的Qm值,从而增大带宽。

　　3 实例

　　我们研制了12种不同尺寸规格的发射型换能器阵元,其工作频率均为23kHz,发射效率在60%左右,换能材料采用PZT-4型压电陶瓷片。将主要的几何参数和带宽参数列于表1。