0 引　言

声波作为目前唯一能在水下实现远距离能量与信息传输的物理载体，在海洋资源勘探、水下目标探测、水文环境监测等军民领域具有不可替代的重要作用^{[1 - 5]} 。水声发射换能器作为声呐系统的核心能量转换器件^[6] ，其性能优劣直接决定着整个水声系统的有效作用距离和信息传输质量。随着现代水声及信号处理技术的迅速发展，为了提高探测能力，获取更多的水下信息，对水声换能器的小型化、低频宽带化及大功率输出特性提出了更为严苛的技术要求^[7] 。

低频声波在水下优异的传播特性是实现远距离探测和通信的关键。然而受限于波长效应，传统低频水声换能器往往面临结构尺寸大^{[8 - 9]} 、壳体设计复杂^{[10 - 11]}的挑战。因此，研发兼具低频、宽带、小尺寸特性的水声换能器已成为该领域的重要研究方向^[12] 。

针对这一目标，研究者们提出了多种设计方案。李志强等 ^[13]设计了一款双椭圆壳串联宽带弯张换能器，通过一体加工2个串联的Ⅳ型弯张壳体并由2组长压电陶瓷堆来驱动在1.2～6 kHz频带内实现了声源级不小于190 dB的结果，具有良好的低频宽带潜力。李宽等^[14]和LU等^[15] 分别通过优化四边型弯张换能器参数和分析多液腔耦合振动设计新型溢流宽带换能器，获得了不错的带宽2.5 kHz和3.5 kHz。方由艳等^[16]进一步提出一种利用压电环的径向振动与球冠形金属壳的高阶弯曲振动耦合的新型弯张换能器，通过分析换能器的发射电压响应、谐振频率与结构参数的关系，实现了较低的工作频率和2.5 kHz的带宽 。这些研究在拓展换能器带宽方面取得了积极进展，同时也反映出在实现更宽带宽、更小尺寸以及更高性能稳定性方面仍存在优化空间。

为了在低频段有效工作并显著扩展带宽，耦合振动设计已被证明是一种有效策略^[17] 。柴勇等^[18] 借鉴弯张换能器将纵向振动转换为弯曲振动的机制，在圆环换能器中引入辐射弯曲梁形成管梁耦合结构。这种设计可利用多模谐振耦合大幅拓宽换能器带宽。弯曲振动模式因其低刚度和低谐振频率特性，尤其适合高效辐射低频声波。

综合上述研究背景和目标需求，本文聚焦深海远距离探测和通信要求的水下换能器所必需的低频宽带特性。在管梁耦合换能器设计理念的基础上，引入了激励振子和质量块进行优化设计。通过建立有限元模型，系统分析并归纳出关键尺寸参数对换能器性能的影响，旨在寻找出最优结构参数组合。该优化设计的目标是使换能器保持小型化的同时，具备大功率发射和显著拓宽的工作带宽。

1 管梁耦合换能器结构与分析方法 1.1 结　构

本文设计的管梁耦合换能器如图1所示。圆环换能器中加入弯曲梁翼板，组成管梁耦合复合结构，再在其中加入激励振子和中心质量块。圆环中的有源材料和激励振子选择PZT-4压电陶瓷；圆环中的无源材料、弯曲梁翼板和中心质量块为铜。翼板结构本身具有声辐射能力，可以在圆环径向振动模态之外增加新的有效工作模态，加入激励振子和中心质量块，提高机械振动的同时增加更多的模态谐振。利用多模态谐振，调整几何参数，控制工作频段。

1.2 方　法

有限元方法是分析和设计水声换能器常用的方法，有限元模型可以最真实地模拟水声换能器的实际状态，方法统一，易于掌握，局限性小，适用于结构复杂的换能器分析设计，有限元法已成为水声换能器设计与分析的主流方法^{[9, 19 - 20]} 。本文利用有限元对管梁耦合换能器进行优化设计。

通过初步设计建模如图2所示。图2(a)为3D网格模型，将连续的几何模型离散化为由有限单元组成的网格，从而将复杂的物理场问题转化为计算机可处理的数值计算问题。如图2(b)所示，圆环和激励振子都采用相同的 Z 向极化，施加电压方向相反。

2 管梁耦合换能器振动特性分析

设置换能器的工作频率在1～10000 Hz，频率步进为100 Hz，得到水声换能器在水中的导纳曲线如图3所示。根据导纳曲线的峰值，设置围绕偏移量，计算求解换能器的特征频率，可以得到换能器在不同特征频率下的振动模态，2680 Hz频率与8092 Hz频率对应的振动模态如图3所示，可知纵向振动与弯曲振动存在强烈耦合。

3 管梁耦合换能器优化设计

发射电压响应是衡量水声换能器电声转换效率的关键指标，直接影响声源级、探测距离及信号稳定性。通过精细调控发射电压响应，可在保持小尺寸的前提下实现低频宽带性能。在分析水声换能器时调整的参数有：圆环中一份无源材料的弧度$ \alpha $，圆环内径$ r_1 $或和外径$ {r}_{2} $以及随它们变化的圆环厚度$ \Delta r $，翼板厚度$ a $和曲率半径$ {r}_{3} $，质量块大小$ b $以及整体高$ h $如图4所示。由于激励振子与翼板是贴合相连，为保证整体结构形状不变，激励振子的大小随着上述参数的改变而调整。

3.1 圆环参数优化

在水声换能器的设计中，圆环厚度的变化对发射电压响应曲线的特性具有显著影响。通过圆环有源与无源材料的占比和圆环厚度，分析其对工作带宽和发射电压响应平稳性的影响。

3.1.1 圆环无源材料优化

$ \alpha $分别为12°、16°和20°时，分析其变化对发射电压响应的影响。由图5可知，当圆环中同比例增加时，发射电压响应在3500 Hz左右的杂散模态被增强，5000 Hz后上升幅度变大。激励振子的宽度在随着圆环中无源材料比例增加而变宽，5000～8000 Hz激励振子对发射电压响应的影响逐渐变大，推动发射电压响应幅值的提高。虽然圆环中无源材料比例的增加整体发射电压响应偏高，但是由于其间杂散模态被激发，大幅度影响发射电压响应稳定性。并且5000 Hz之后发射电压响应的快速上升，导致整体工作带宽变窄。由表1可知，无源比例增加，可利用最低频率变大、带宽变窄，因此选择12°继续研究。

3.1.2 圆环厚度优化

首先，通过改变圆环的外径$ {r}_{2} $（保持内径$ r_1 $=260 mm不变），分析圆环厚度$ \Delta r $分别为25、20、15 mm时，对发射电压响应曲线和工作带宽的影响，如图6所示。可知，15 mm 发射电压响应在4700 Hz左右出现了跳跃，且其发射电压响应值很低，最低处只有122 dB。25 mm具有较高的发射电压响应数值，并且发射电压响应数值高，但是发射电压响应整体梯度过大，从3000 Hz一直降低，导致可利用带宽变窄。20 mm则介于二者之间，4700 Hz左右的变化值不是很大，5000 Hz之后的值也没有出现持续下降情况。其次，通过改变圆环的内径（保持外径300 mm不变），分析圆环厚度分别为25、20、15 mm时，对发射电压响应曲线和工作带宽的影响。从图7发射电压响应曲线可知，改变内径和改变外径的情况大致相同。由表2～表3可知，无论是改变内径还是外径，20 mm的性能都优于15 mm和25 mm，所以最终圆环厚度为20 mm。

3.2 翼板参数优化 3.2.1 翼板厚度优化

在设计压电水声换能器时，翼板厚度是影响发射电压响应的重要因素之一。通过实验分析发现，不同厚度的翼板对发射电压响应的表现有显著差异，不同的翼板厚度分别表现出不同的特性。由图8可知，对于3 mm的翼板厚度，4000～6000 Hz范围内出现了额外的谐振模式。这些额外的谐振模式导致发射电压响应在该频段内出现明显的波动，不能在较宽的频率范围内保持平稳的发射电压响应，相比之下，7 mm的翼板厚发射电压响应在4750 Hz左右出现额外峰值，在6000 Hz后发射电压响应又急剧下降，5 mm的翼板厚度杂散模态影响小，在5000 Hz后发射电压响应未出现持续降低，保持了良好的带宽。由表4的数据可以看出，5 mm翼板厚度在工作带宽和平均发射电压响应都远优于3 mm和7 mm。

3.2.2 翼板曲率半径优化

通过改变翼板曲率半径，得到不同的发射电压响应曲线，如图9所示。翼板曲率半径为200 mm时，在3000～4000 Hz的频率范围内，发射电压响应出现明显波动；对于翼板曲率半径为400 mm的换能器，其在7000 Hz后的发射电压响应增长较快；300 mm的曲率半径的发射电压响应虽有波动，但是影响较小。从表5可知，翼板曲率半径200 mm和300 mm对发射电压响应的可用带宽影响较小，但是300 mm的频率更低，所以最终选择300 mm。

3.3 中心质量块尺寸优化

对中心质量块尺寸的优化如图10所示。当质量块边长为50 mm时，发射电压响应曲线在3500 Hz附近呈现显著波动；对于30 mm的质量块，4800 Hz附近的发射电压响应跳跃过大，而6000 Hz发射电压响应又快速上升；上述现象导致2种尺寸的工作带宽受限。由表6可知，质量块尺寸对性能影响不大，40 mm边长设计更为合理。

3.4 换能器高度优化

发射电压响应随换能器高度的变化关系如图11所示，除了5000 Hz左右的发射电压响应值，其余部分随着高度变高近似平移变高，而在5000 Hz的变化相对较小。由表7可知，高度80 mm的工作频率最低，平均发射电压响应最高，带宽中等；50 mm带宽最窄，其余2个中等；20 mm的工作频率略高，带宽最宽，发射电压响应最低。综合比较各性能，考虑加工难度，高度20 mm的更适合需求。

3.5 换能器参数优化总结

换能器参数确定为最大直径300 mm，圆环厚度20 mm，圆环中无源材料占比2/15；翼板厚度5 mm，曲率半径300 mm；中心质量块边长40 mm；整体高度20 mm。最终的发射电压响应如图12所示。

4 结　语

本文优化设计了管梁耦合换能器，在常规管梁耦合结构中心引入激励振子与质量块，构建双驱动架构，形成多极驱动阵列。通过建立有限元模型，系统分析并归纳出圆环无源材料比例、厚度，翼板厚度、曲率半径，中心质量块尺寸以及换能器高度等关键尺寸参数对换能器性能发射电压响应和工作带宽的影响规律，最终确定了最优结构参数组合：最大直径300 mm，圆环厚度20 mm，圆环中无源材料占比2/15即弧度12°；翼板厚度5 mm，曲率半径300 mm；中心质量块边长40 mm；整体高度20 mm。该优化设计有效利用了多模态谐振耦合机制，优化了有效工作模态，增强了辐射响应。优化后的换能器显著减小了换能器的尺寸，扩展了带宽，达到了预期目标。其发射电压响应在起伏3 dB上的工作频率区间为3500～8000 Hz，工作带宽4500 Hz，平均幅值127 dB。该设计为换能器的低频、宽带和小型化优化设计提供了新思路。