一种深水宽带换能器

　　0 引言

　　深海潜水器是支撑探查和开发深海资源、开展深海科学研究、进行深海工程作业的重要装备。作为深海潜水器上的重要部件，可在超深水工作的声学换能器有着广泛的应用前景，特别是具有中低频、宽带、耐高静水压性能的换能器极为必要。海洋探测系统中，考虑到探测距离和探测精度两者间的平衡，对于中低频段(10 kHz 附近)具有广泛的需求。本文介绍了一种深水宽带换能器的设计方法，换能器采用纵弯换能器，该型换能器利用纵向振动和前盖板弯曲振动相互耦合，产生两个谐振峰，具有宽带工作的特点;换能器封装在带有压力平衡装置的耐压外壳中，耐压外壳采用钛合金材料，外壳及换能器内部充有硅油。实际测试表明，换能器最大工作深度可达7000m，工作频段7~15kHz，最大声源级大于195 dB，覆盖了深海探测领域常用的频段，具有良好的适应性和广泛的应用前景。

　　1 换能器设计

　　纵弯换能器是利用纵向振动和弯曲振动相结合的多模振动换能器，是在传统的纵振换能器基础上改进而来的。通常为了增大纵振换能器的辐射面积，以利于向前辐射声功率，将纵振换能器的前盖板设计成喇叭形，而在纵向振动的激励下，前盖板会有沿轴向的弯曲振动出现，产生第二振动模态。通过调节前盖板的几何尺寸，使弯曲频率降低到适当的位置，可以恰到好处地拉宽频带，而不至于产生凹谷。

　　如图1所示的前盖板，其弯曲频率可以用公式1来计算[1]：

　　从式(1)可以看出，前盖板的弯曲频率除了受本身材料影响外，主要跟前盖板厚度、半径、圆锥部分的斜率三个参数有关，前盖板的厚度越厚，半径越小，圆锥部分的斜率越小，其弯曲频率就越高;前盖板的厚度越薄，半径越大，圆锥部分的斜率越大，其弯曲频率就越低。掌握了以上规律，就可以有针对性地用有限元软件来计算换能器的相关参数，调节两个谐振峰的导纳幅值和谐振频率，获得较好的宽频带工作性能。

　　用ANSYS有限元软件建立模型并进行网格划分，建立二维轴对称模型[2]。采用PLANE13单元模拟压电陶瓷，采用PLANE42单元模拟前后盖板等无源材料，经过 ANSYS 有限元分析计算，其导纳及发送电压响应如图2所示。可见，采用该种结构的纵弯换能器，可以有效地产生纵振和弯曲两个谐振峰，从而拉宽了换能器的工作频段，可以在7~15kHz 范围内工作[3,4]。

　　2 耐压壳体设计

　　考虑到深海工作的特点，采用钛合金耐压壳体作为换能器的外壳，同时采用合理的结构形式和相应的压力平衡装置，外壳和换能器内部都充有硅油，利用硅油的不可压缩性，随着外界压力的升高，内部硅油受压产生相应的内压，内外压力达到平衡，从而使换能器能够工作在高静压条件下。在壳体内部设有挡板以抑制换能器的后向辐射。内部剖面图如3所示。