一种新型水声发射换能器的结构设计

　　复合棒换能器是一种常用的大功率发射换能器。它以较小的重量和体积获得大的声能密度,广泛地用于水声和超声技术中[1, 2]。这种换能器的喇叭形前盖板可以增大辐射面积,能充分利用晶片堆的功率容量,并可以通过它来调整带宽[3, 4]。但这种换能器有一个缺点就是波束宽度(开角)有限。

　　为了增大开角,本文设计了一种新型结构的叠堆晶片发射换能器。根据换能器工作频率,利用振子的共振频率方程计算了换能器的结构尺寸,并采用有限元方法对设计的结构进行建模、仿真和优化。最后与实验制作的换能器振子的测量值进行了比较,结果表明,换能器的设计达到了预期要求。

　　1理论分析

　　1.1复合棒换能器

　　复合棒换能器振子的结构如图1所示。它主要由3部分组成:前盖板、压电陶瓷晶片堆和后盖板。该换能器中陶瓷片的厚度以及陶瓷片的个数,对换能器的工作频率、电阻抗、机械品质因数、指向性以及机电耦合系数等性能都有影响。此类换能器依据使用频率来设计其结构,通常采用等效电路法计算结构尺寸。等效电路是将机械振动、电振荡以及机电转换过程用机电类比的原理形象的组合在一个等效图中,它在机电转换的问题上与所代表的换能器等效。

　　复合棒换能器的机电等效图如图2所示。

　　其中V为加于单个晶片的电压,C0为晶片截止电容,n为机电转换系数,Z1p,Z2p构成p个相同晶片级联组合系统的等效机械阻抗。

　　分别以ρ,v, s,k, l表示密度、声速、横截面积、波数和长度,则金属后盖板的等效机械阻抗[5]

　　对于复合棒换能器喇叭形前盖板,设喇叭口向声介质辐射声波,其辐射阻抗为Zs,前盖板后端与晶片相接,则加于晶片的等效机械阻抗为[5]

(2)

　　参量,称为延展系数,其中r1, s1和r2, s2分别为喇叭口端面和前盖板后端面的截面半径及截面积。

　　1.2新型叠堆晶片发射换能器

　　本文在复合棒换能器的基础上,改进前盖板的结构,将其设计为倒喇叭端面,然后在其前端叠加圆柱形发射头,以扩大换能器的开角。为了方便理论推导,把前盖板简化为变截面细棒的振动模型,发射头和后盖板简化为等截面细棒的振动模型,压电陶瓷晶片堆简化为电场平行于长度的长度伸缩晶片的级联,振子的简化模型如图3所示。其中l1, l2, l3分别为钢制后盖板、铝制前盖板、铝制发射头的长度, le1和le2为PZT-5晶片堆长度。

　　换能器振子的机电等效图与复合棒换能器振子的机电等效图相同,如图2所示。

　　后盖板的参数以下角标1表示,前盖板的参数以下角标2表示,辐射头的参数以下角标3表示,压电陶瓷以下角标e表示,ve表示级联后的声速,并以图3中所示情况选取1,2,3,4截面。