发射型钹式换能器的研究

　　1　引言

　　钹式换能器由美国的Newnham教授发明，具有体积小、重量轻等诸多优点，可应用于发射器和接收器，应用前景广泛[1]。国外自1992年以来一直致力于该换能器研究，通过复合结构的受力分析，研究了金属帽厚度、腔形对灵敏度的影响，并对压电系数、压电电压常数进行了分析[2];利用有限元分析方法和实验对钹式换能器的结构、特点、制作方法、组阵技术等进行了研究，优化了换能器的参数和组阵技术[3]。国内对该换能器的材料常数、机电性能、布阵技术、理论建模等方面进行了系列研究[4～12]。

　　本文从换能器有无结构阻尼出发，仿真分析并计算了换能器的品质因数、有效机电耦合系数、发射效率，绘制了发射电压响应曲线，综合分析了换能器的各项性能参数。

　　2　模型建立

　　发射型钹式换能器主要结构包括一片压电陶瓷片、两片钹式铜帽两部分，结构如图1所示。

　　该换能器具有轴对称结构，建立水下有限元模型时选取X轴的正半轴为研究对象。有限元模型如图2所示。

　　3　结果分析与处理

　　3.1　辐射声功率与发射效率

　　辐射声功率一般是随着工作频率的变化而变化的，共振时可以达到最大的辐射声功率。其计算公式为：

　　Req0：不考虑阻尼时的等效电阻;Req：考虑阻尼时的等效电阻。发射效率即换能器将电能转换成声能的效率，可用辐射声功率与输入换能器的总的信号电功率之比来衡量。

　　We为输入换能器的总的信号电功率。

　　3.2　结果计算

　　根据ANSYS中时间历程后处理器(Post26)的变量观察器(Variable　Viewer)窗口分别计算出有阻尼和无阻尼时的各项性能参数。考虑阻尼时结果如表1、2、3所示。假设换能器的工作电压U=1000V，不考虑阻尼时结果如表4所示。根据式(1)、式(2)计算得表4中结果数据。

　　3.3　讨论与分析

　　考虑阻尼时，发射电压响应中，1号、3号、4号换能器的发射电压响应较大，分别为181.747dB、181.060dB、182.033dB;1号、3号、4号换能器的有效机电耦合系数较大，分别为0.1790、0.1773、0.2112。经计算，1号、4号换能器的辐射声功率较大，分别为17138W、24397W，1号、4号、10号换能器的发射效率较大，分别为0.4377、0.5621、0.490。发射电压响应是发射换能器的重要性能之一，发射电压响应的高低决定了声波的传播距离。因此，提高发射电压响应可以提高发射换能器的性能参数，设计出性能更优的换能器。图3(a)、(b)、(c)所示为10种发射换能器在有阻尼和无阻尼时的发 射电压响应曲线。