钹式水听器的改进及仿真测试研究

　　0 引言

　　钹式换能器由两片类似于钹的金属平顶锥壳中间夹着一片厚度极化的压电陶瓷晶片构成.当用作发射换能器时,它通过金属平顶锥壳与压电晶片的径向扩张振动激发金属平顶锥壳弯曲振动完成一种耦合的弯张振动模态并产生较大的轴向位移;当用作接收水听器时,外界作用在其表面上的压力通过金属平顶锥壳与压电晶片的径向扩张振动模态叠加,产生较大的径向张力,从而提高水听器的灵敏度[1].钹式水听器由于体积小,重量轻,结构简单,加工方便,灵敏度高等特点,越来越被水声工作者所青睐,但遗憾的是,由于钹式水听器中间只夹一片压电陶瓷,电容量和谐振频率的协调有一定难度:电容量增大,谐振频率却减小;反之,谐振频率增大,电容量却减小.这就造成或是接收性能不够稳定,或是接收频带太窄.针对这一问题,我们对现有的钹式水听器进行改进,从而提高水听器的接受性能.

　　1 改进后的钹式水听器及静态接收性能分析

　　改进后的钹式水听器用两片并联压电晶片取代单片的压电晶片,同时缩小压电晶片的径向半径,其结构如图1所示.

　　实际水听器的边界条件假设压电片的上下表面不受外力,压电片的圆周面和金属钹盖的外表面受均匀的压力p0,受力分析如图2所示,则有:

　　另外,根据轴对称压电圆管r和方向θ应力[2]为:

         (5)

　　从式(5)推导出无T'r时,圆柱状压电圆片r和θ方向应力和为:

           (6)

　　而当压电圆片和金属钹盖耦合后,在r和方向θ的应力和为:

   (7)

         (8)

　　其中S1为金属钹壳与压电陶瓷片粘合面积,S2为压电陶瓷片面积.另根据文献[3]:

         (9)

　　将式(7)代入后,则有:

         (10)

　　电极上的总电荷为

    (11)

　　则水听器的电容量近似为:

 (12)

　　故接收电压灵敏度为:

     (13)

　　对于改进后的水听器,因为采用并联电路,式(12)电容量C将增加两倍,灵敏度将降低3个分贝;而从式(13)来看,由于d33和2d31大小接近,方向相反.改进后的S1/S2减小,整个灵敏度幅值依然可以调整到接近原来灵敏度.

　　2 改进前后水听器有限元仿真分析

　　在实际工程中,对水听器的要求不仅表现在灵敏度大小上,灵敏度的频率响应也是很重要的一个指标.根据弹性体理论,当水听器工作在远离谐振点的时候,灵敏度响应比较平稳.因此,我们先用有限元理论对单一晶片和双晶片并联水听器的谐振频率和导纳曲线进行仿真分析.