偏心式圆筒悬臂梁发射换能器研究

　　如何设计制作/更低频-更宽带0的水声换能器是换能器设计者需要面对的长久课题[1].多年来,从低频和宽带2个方面入手,研究人员已经形成了多种解决方案.例如:利用桶板、管梁的弯曲振动频率比较低的特点来制作低频换能器[2-3];采用复合棒换能器前盖板的纵-弯模态耦合、采用匹配层技术、采用多激励源技术等[4-6]方法来制作宽频带的换能器.

　　基于早期的研究工作[7],提出了一种全新结构的偏心式圆筒悬臂梁发射换能器,其基本设计思想是将弯曲振动模态频率低的特点和多模态振动耦合拓宽频带的方法结合起来,应用于同一种换能器的结构设计中,期望得到一种相对低频并具有较大带宽的发射换能器.不同于以往文献中提到的多模态振动耦合方法,文中阐述的多模态采用了超过十阶以上的模态来耦合振动.

　　1 换能器工作原理与结构设计

　　图1是偏心式圆筒悬臂梁发射换能器的结构示意图,换能器主要由以下结构组成:水密包覆层(聚氨酯)、水密电缆、弯曲壳体、上盖、调整模块和压电陶瓷堆等.换能器的工作原理类似于一般的弯张换能器,即当有交变电压作用于压电陶瓷堆时,压电陶瓷堆产生厚度方向的伸缩振动,激励弯曲壳体的辐射面产生弯曲振动,通过壳体的振幅放大效应实现声辐射.

　　弯曲壳体的结构设计是能否实现低频、超宽带换能器的关键所在,也是最大亮点之处.图2是弯曲壳体的结构示意图.图3是换能器的设计路线示意图,换能器的设计路线和设计思想紧紧围绕着低频和宽带2个方面展开.具体描述如下:弯曲壳体的形状为一薄壁圆筒,带有上下端盖,在壳体圆筒壁的轴线方向上有规则的分布多个纵向开缝,形成多个桶板弯曲梁;同时,在轴线的中心位置将弯曲梁切断(支撑梁除外),形成多个弯曲悬臂梁;另外,壳体内壁与外壁采用了偏心的设计,使得壳体壁厚在圆周方向上的分布是不均匀的.通过以上对弯曲壳体的处理,得到了弯曲悬臂梁+变壁厚梁,即得到了多个弯曲频率各不相同的悬臂梁.由此带来的好处是,换能器工作在悬臂梁的弯曲振动模式下,具有低频优势;其次,多个悬臂梁会产生多阶振动模态,通过模态耦合方法可以试图获得超宽带的频率响应.

　　2 换能器有限元设计分析

　　2.1 悬臂梁设计

　　要实现所设计换能器的超宽带频率响应,需要对弯曲悬臂梁进行具体的分析计算.图4是弯曲壳体中悬臂梁分布和结构示意图(俯视图),图中的D梁是支撑梁,A、B、C梁是悬臂梁.由于换能器采用对称开缝设计,所以每个换能器中包括4条A梁、4条B梁、2条C梁,并且每条梁的长度尺寸相同.