新型宽带圆管换能器研究

　　压电圆管水声换能器是水声领域中应用比较广泛的换能器之一,它具有结构简单、工作特性稳定的特点[1-2].传统的压电圆管换能器采用圆管的一阶呼吸振动模态,这种单一的振动模态使得换能器频带宽度受到限制.拓展压电圆管换能器带宽的传统方法是采用压电圆管液腔振动模态与一阶呼吸振动模态的耦合.压电圆管在一阶呼吸振动模态之上还存在其他高阶振动模态.利用压电圆管的一阶呼吸模态和高阶模态振动的耦合,也可有效拓展换能器的工作带宽.同时,如果宽带圆管换能器具有指向性的特点,可以为潜艇和水下潜器服务,作为水声通信网的通讯节点换能器.

　　由于宽带圆管换能器具有水平指向性,可以提高信噪比,降低干扰,增加水声信号传输的安全性.除此之外,还可用于水声对抗和各种水声试验,具有很广泛的应用前景.本文从压电圆管的激励方式入手,基于有限元法,运用大型有限元软件Ansys,设计了一种利用压电圆管一阶呼吸模态和二阶偶极子模态的宽带圆管换能器,测试结果表明其具有良好的心形指向性.

　　1 圆管换能器宽带实现原理

　　为了实现压电圆管换能器的宽带发射,可采用多模振动耦合的方法来拓展压电圆管换能器的频带宽度.通过采用复合激励方式,同时激发压电圆管的呼吸模态和高阶模态,达到多模态耦合拓展带宽的目的.

　　1.1 压电圆管振动模态

　　单一振动模式换能器的宽带特性常用更能客观反映带宽性能的机械值Qm来表示,

　　式中fr为谐振频率,$f为带宽.若想增加带宽就要减小Qm值.薄壁压电圆管径向振动换能器虽能做到Qm<3,但再想降低也很困难.因此,只有采用多模振动才能拓展换能器的频带[3].

　　压电圆管受到正弦信号激励,只会激发出圆管的呼吸模态.呼吸模态是压电圆管的基础模态,其谐振频率为[4]

　　式中c为压电圆管中的声速,D为压电圆管的平均直径.

　　在基础呼吸模态之上,圆管还存在很多固有的高阶振动模态.高阶振动模态谐振频率为[4]

　　第二阶模态n=1(偶极子模态),谐振频率f1=.第三阶模态n=2(四极子模态),谐振频率f2= .可以使用呼吸模态和高阶振动模态耦合拓展换能器带宽.

　　1.2 圆管换能器宽带的实现

　　将径向极化的压电圆管正电极平均分为两瓣.首先在压电圆管正电极两侧施加相同的电压,负电极接地,定义为“0”激励模式.在这种电压激励方式下,分析压电圆管各部分在5个时刻的运动方向和整体运动方式.图1是压电圆管加电激励方式示意图,图2表明压电圆管各时刻的运动方式.从图中可以看出,压电圆管在一个周期内的振动为整体扩张和收缩,表明“0”激励模式只能激励出压电圆管的呼吸模态[5-7].