0 引　言

随着科学技术的快速发展，水声学已广泛应用于通信、水下定位导航、水下矿产资源探测、水下搜救以及军事等领域^[1-4]。水声学的发展依赖于水声换能器技术的进步，目前复合棒水声换能器的研究方向为低谐振频率、发射性能稳定、容易集成布阵和较宽的工作带宽等^[5-6]。复合棒水声换能器因为其制作工艺简单、性能稳定、尺寸小、大功率被广泛运用，但是其不足之处是带宽特性不足、频率较高、发射电压响应起伏大，从而限制复合棒水声换能器的传输信息量^[7]。

常见的复合棒水声宽带换能器设计方法有：多模态耦合宽带技术、新型压电材料宽带技术、多激励宽带技术和新工艺宽带技术等^[8]。其中，多激励宽带技术是指利用多个激励源谐振耦合来拓宽水声换能器的带宽，如多个压电晶堆或多个激励磁致伸缩材料进行激励、压电陶瓷晶堆与磁致伸缩材料混合激励。复合棒水声换能器作为水下声呐系统的核心部件之一，其性能的提升对整个声呐系统具有极其重要的意义。本文设计一部三激励宽带复合棒水声换能器，利用有限元仿真软件Comsol分析不同材料的弯曲盖板、辐射头对水声换能器发射电压响应的影响。在弯曲盖板、辐射头的结构尺寸方面进行优化研究，分析结构尺寸对水声换能器发射电压响应的影响规律并得出优化尺寸。

1 多激励宽带复合棒水声换能器 1.1 有限元仿真建模

建立有限元模型需要对实物做一些简化处理，复合棒水声换能器简化模型包括硬铝制弯曲盖板和辐射头、PZT-4压电陶瓷片、黄铜质量块以及45钢预应力螺栓，简化模型如图1所示。多激励宽带复合棒水声换能器是将纵振模态与弯振模态进行耦合的换能器，这里使用有限元分析软件Comsol对多激励宽带复合棒水声换能器建模并进行性能分析。因为金属电极片和胶层较薄，壳体和套筒对发射性能的影响较小，在建立模型时忽略其影响，且在分析电声性能振动特性时忽略预应力对复合棒水声换能器的影响。

1.2 水声换能器的有限元分析

对换能器进行模态分析，求解得到结构振动的前2阶谐振频率，如图2所示。图2(a)为一阶模态的振型及位移云图，其频率为8689.7 Hz，表面位移最大在弯曲盖板，弯曲盖板有较大的纵向振动位移，振子振动主要以前晶堆纵振为主，后晶堆和后质量块的振动位移较小。图2(b)为二阶模态的振型及位移云图，谐振频率为22691 Hz，表面位移最大在弯曲盖板圆周面处弯曲振动，振子振动主要以中间晶堆和后晶堆为主，前晶堆振动较小，此模态主要是弯曲盖板的弯曲振动模态和压电陶瓷堆的纵振模态耦合。

对复合棒水声换能器进行频域分析，复合棒水声换能器采用轴对称建立等效轴对称模型，二维轴对称有限元模型如图3所示。在电压边界加载电势1 V，设置最大研究工作频率为50 kHz，频率步进为100 Hz进行求解。

图4(a)为复合棒水声换能器的导纳曲线，出现了2个谐振点，分别为7.1 kHz和27.1 kHz。图4(b)为频域响应的TVR曲线图，出现了2个谐振峰，同导纳曲线峰值出现的频率一致，工作频率范围约为6.9～27 kHz，在11～21 kHz之间曲线相对平缓，幅值平均达到120 dB以上，可用的工作带宽约为10 kHz，适用于信号传输，但二阶谐振频率点前有一个较大的凹谷，这大大减小了复合棒水声换能器的工作带宽。

2 复合棒水声换能器的发射性能优化

从有限元分析结果可知，在7.1～27.1 kHz范围内，复合棒水声换能器具有良好的工作带宽和较平坦的发射电压响应级，但是在21～27 kHz之间，发射电压响应具有一个较大的凹谷，为拓宽换能器的工作带宽，需要对换能器的材料和结构进行优化设计。本文主要研究不同材料和结构尺寸的弯曲盖板和辐射头对换能器的影响。预应力螺杆和螺母材料为45钢不变，分析优化都只是改变某一个结构的某一参数而其他参数不变情况下的仿真结果。

2.1 材料优化分析

在设计三激励宽带复合棒水声能器时，弯曲盖板和辐射头属于紧密连接，将弯曲盖板和辐射头作为一体分析其材料变化的影响。当改变弯曲盖板和辐射头的材料，质量块的材料为45钢保持不变时，复合棒水声换能器不同材料的发射电压响应如图5所示。可以看出，硬铝的发射响应在过了一阶谐振点之后，发射电压响应明显高于其他材料，随着发射电压响应的增加，铝的一阶谐振频率也随之增大，其他材料的一阶谐振频率相差不大。在二阶谐振频率之前，换能器发射电压响应有一个较大低谷，使工作带宽变小。在一阶谐振和二阶谐振频率之间，铝的工作带宽最小，但发射电压响应最高；其次是铸铁的发射电压响应较低，工作带宽较铝增加了约1.5 kHz；45钢发射电压响应比铜稍高，但工作带宽也比铜少。所以如想要使换能器具有较大带宽应选择黄铜作为弯曲盖板和辐射头的材料，如想要使换能器具有较高的发射电压响应应选择硬铝作为弯曲盖板和辐射头的材料。在换能器优化中用到的几种材料参数如表1所示。

2.2 结构尺寸优化分析

通过有限元仿真对复合棒水声换能器的材料进行优化后，水声换能器的发射电压响应有了一定的改善，但还不够理想，需要对换能器进一步优化。通过调整某一结构的部分尺寸研究其对换能器相关电声参数的影响，调整最优的尺寸使换能器的相关性能最优。图6为复合棒水声换能器二维轴对称模型及各个结构的参数。

1）弯曲盖板

改变弯曲盖板的外半径 $ a $ 、内半径 $ c $ 、前端厚度 $ t $ 和总体厚度 $ b $ ，仿真结果如图7所示。图7(a)中，在17 kHz以下发射电压响应随着外半径增大而减小，17 kHz以上发射电压响应随着外半径增大而增大，说明外径增加，−3 dB带宽减小，电压发射响应起伏较大，可用带宽的起伏在 $ a $ =24mm时最小。图7(b)中，在23 kHz以下发射电压响应随着总体厚度的增大而减小，23 kHz以上发射电压响应随着总体厚度增大而增大，说明总体厚度增加，电压发射响应起伏变大，可用带宽在 $ b $ =10mm时最小，在设计换能器时弯曲盖板的总体厚度应当小一点。图7(c)中，在15 kHz以后，发射电压响应随着弯曲盖板内半径的增加而增加，起伏逐渐变大，工作带宽相对减小。图7(d)中，在15 kHz以后，发射电压响应随着弯曲盖板前端厚度的增加而减小，起伏逐渐趋于平稳，工作带宽相对增大。

可以发现，弯曲盖板外半径对电声特性影响最大，其次是总体厚度，最后是内半径和前端厚度。当弯曲盖板外半径 $ a $ 、内半径 $ c $ 、前端厚度 $ t $ 和总体厚度 $ b $ 分别为24 mm，10 mm，8 mm和10 mm时，复合棒水声换能器具有较好的电声特性。

2）辐射头

改变辐射头的前端厚度 $ d $ 、后端厚度 $ e $ 和短端半径 $ f $ ，如图8所示。图8(a)中，随着辐射头前端厚度的增加，一阶谐振频率随之增大，二阶谐振频率无明显变化，发射电压响应随着厚度的增加减小，相应的工作带宽也随着前端厚度的增加而增加。图8(b)中，随着后端厚度的增加，一阶谐振频率增大幅度较小，二阶谐振频率几乎无变化，发射电压响应也随着后端厚度的增加而增大。图8(c)中，随着辐射头短端半径的增加，一阶谐振频率、二阶谐振频率和发射电压响应都无明显变化。

通过对辐射头结构尺寸的研究，辐射头前端厚度 $ d $ 、后端厚度 $ e $ 和短端厚度 $ f $ 分别为11 mm，3 mm和10 mm时，复合棒水声换能器具有较好的电声特性。

综合上述对复合棒水声换能器的材料和尺寸进行优化，当辐射头外半径a、内半径c、前端厚度t和总体厚度b分别为24 mm，10 mm，8 mm和10 mm，辐射头前端厚度d、后端厚度e和短端半径f分别为11 mm，3 mm和10mm时，电声性能较好。经过优化后的三激励宽带复合棒水声换能器发射电压响应如图9所示。可见在9.4 kHz和38.4 kHz达到极大值143.2 dB和135 dB，在31.7 kHz有极小值138.2 dB。在9～31 kHz的频带内，发射电压响应曲线频带范围内起伏为6 dB。

3 结　语

使用有限元法对一个三激励宽带复合棒水声换能器的弯曲盖板和辐射头的材料和结构尺寸进行优化分析，研究不同材料的弯曲盖板、辐射头对水声换能器发射电压响应的影响规律。仿真结果表明，硬铝可以使水声换能器获得较大的发射电压响应。在结构尺寸优化方面，通过内外半径和厚度的改变优化发射电压响应，得到最优结构尺寸。通过优化仿真后得到的发射电压响应都处于130 dB以上，复合棒水声换能器工作范围为9～31 kHz，可工作带宽为22 kHz。