作为水声技术体系的核心组件，水声换能器承担着水下声波发射与接收的关键职能，其性能优劣直接决定着水下目标的探测定位、特征识别及信息传输等系统的性能水平。因此，像水声换能器这种通过实现电能与声能相互转化的精密器件，被业内形象地誉为“水声设备的耳目”^{[1 − 2]}。水声学的发展依赖于水声换能器技术的进步，目前纵振式水声换能器的主要研究方向是如何提高发射电压响应、保证发射性能稳定、容易集成布阵以及拓展工作带宽等^{[3 − 5]}。纵振式水声换能器是目前应用最广、发射性能较好的一种发射装置^{[6 − 8]}，但是纵振式水声换能器仍然存在着精度低、制造难度较大以及发射电压响应不稳定等问题^{[9 − 11]}。

纵振式水声换能器由预应力螺栓、金属质量块、压电陶瓷片及带有空腔的曲状辐射头等部分组成，压电陶瓷晶堆采用夹心式三激励堆叠，每一组压电陶瓷晶堆之间通过金属质量块进行分隔。将部分对换能器性能影响较小的部分进行简化，简化后的换能器模型包含预应力螺栓、压电陶瓷、金属质量块和辐射头4个部分，简化后的二维轴对称模型如图1所示。

图 1 多激励曲状纵振式水声换能器简化模型 Fig. 1 Simplified model of multi excitation curved longitudinal acoustic transducer

将简化后的模型进行仿真软件建模，仿真软件选择使用COMSOL，建立的等效二维轴对称有限元模型如图2所示。模型包括了45钢的预应力螺栓与金属质量块，压电陶瓷片材料选择PZT-4以及采用铝制的辐射头。设置有限元最大工作频率为60 kHz，频率步进为10 Hz；每一组压电陶瓷晶堆的上压电陶瓷片为正向极化，下压电陶瓷片为负向极化，两片压电陶瓷的接触面为电压边界，在电压边界设置额定驱动电压1 V。

图 2 二维轴对称有限元模型 Fig. 2 Two dimensional axisymmetric finite element model

对水声换能器进行频域求解，仿真得到的发射电压频域响应曲线如图3所示。可知，图上出现了2个谐振峰，分别为13.2 kHz和56.36 kHz，工作频率范围为13.5～56.18 kHz，在40～54.73 kHz之间曲线较为平稳，可用的工作带宽约为14.5 kHz，平均发射电压响应在146 dB左右，可以保证信号的传输。同时可以看到，在23～35 kHz之间的发射电压响应值与40～54.73 kHz之间的发射电压响应值大致相同，但是2个区间的中间存在一次较大的波动，这使得水声换能器的可用工作带宽大幅度减小。

图 3 发射电压频域响应曲线图 Fig. 3 Frequency domain response curve of transmission voltage

对水声换能器进行特征频率求解，得到的前两阶振动模态如图4所示。图4(a)为一阶模态振型图，此时振动位移集中在空腔处，辐射头和压电陶瓷产生的位移较小。图4(b)为二阶模态振型图，此时辐射头曲端产生较大的弯曲振动，压电晶堆发生了一定的位移，振子在中心位置产生纵振模态，并与曲状辐射头的弯曲振动模态产生了模态耦合。

图 4 水声换能器的模态分析 Fig. 4 Modal analysis of underwater acoustic transducers

为了拓宽换能器的可用工作带宽，需对其结构尺寸及部件材料进行优化调整。预应力螺栓材料固定为45钢不变。所有结构参数与材料的优化分析，均基于单一变量原则进行。水声换能器的结构注释如图5所示。图中，a为前质量块厚度。b为中间质量块厚度，c后质量块厚度，i为压电陶瓷片厚度，d₁为金属质量块和压电陶瓷片整体半径，r₁辐射头上端半径，r₂为下端半径，h₂辐射头高度，s为辐射头曲率半径，d₂为空腔半径，h₁空腔高度，j为空腔距辐射头底端高度。

图 5 结构注释图 Fig. 5 Structural annotation diagram

一般情况下，辐射头会采用硬铝、铸铁、钢、铜等材料制造。在保持其他参数不变的情况下，仅更换辐射头材料进行仿真，所得结果如图6所示。可知，采用7075硬铝的辐射头，其发射电压响应曲线在13～40 kHz范围内整体波动最为平缓，是4种材料中起伏最小的，特别是在40 kHz处，硬铝的波动幅度也最小。而在40～55 kHz范围内，硬铝的平均发射电压响应值最高，且曲线也最为平稳，这保证了一段稳定的工作带宽。

图 6 不同材料辐射头的TVR图 Fig. 6 TVR diagrams of radiation heads made of different materials

通过对各参数分别进行优化仿真，所得结果如图7所示。由图7(a)可知，改变辐射头的曲率半径对发射电压响应整体影响不大，主要集中在40 kHz的波动处。可以看到，当曲率半径s=12 mm时，发射电压响应的波动最小，近乎消失；由图7(b)可知，改变辐射头的高度会稍微影响第一、第二谐振频率，也会略微影响到40 kHz处的波动，当高度h₂=30 mm时波动最小；由图7(c)可知，改变辐射头的上端半径对第一、第二谐振频率影响较小，但会明显影响工作频率范围内的发射电压响应值与波动幅度，当上端半径减小时，发射电压响应值会变小，且会在第二谐振频率前逐渐形成一个凹谷，这大大减少了可用工作带宽，所以取上端半径r₁=30 mm，此时的发射电压响应最为平稳且第二谐振频率前并未形成凹谷；由图7(d)可知，改变辐射头的下端半径对发射电压响应值与波动幅度有显著影响，当下端半径增大时，第一谐振频率后的凹谷范围明显减小，但发射电压响应值也会随之减小，且第二谐振频率也会降低，而40 kHz处的波动先逐渐减小而又逐渐变大，综合考虑，取下端半径r₂=40mm，此时发射电压响应曲线最为平稳，波动最小，可用工作带宽最大；由图7(e)可知，改变空腔的半径对发射电压响应曲线整体影响较小，仅会略微影响40 kHz处波动的幅度，而当空腔半径d₂=17.5 mm时，波动的幅度最小；由图7(f)可知，改变空腔的高度会影响波动的幅度，并且会稍微影响第二谐振频率，而取空腔高度h₁=3 mm时，波动最小且第二谐振频率较大；由图7(g)可知，改变空腔距离辐射头底端的高度会明显影响到40 kHz处的波动，逐渐增大距离，波动会慢慢由凹谷转变为凸峰，而当空腔距辐射头底端的高度j=6 mm时，此时发射电压响应曲线最平稳。

图 7 辐射头各结构优化对TVR的影响 Fig. 7 The impact of optimizing the structures of radiation heads on TVR

压电陶瓷片一般由PZT-2、PZT-4、PZT-8等3种材料制造，而金属质量块由铝，钢、铜等材料制成。在遵循单一变量的原则下，不同材料的仿真结果如图8所示。

图 8 不同材料压电陶瓷片与金属质量块的TVR图 Fig. 8 TVR diagrams of piezoelectric ceramic sheets and metal blocks of different materials

由图8(a)可知，PZT-4型压电陶瓷片的发射电压响应曲线整体最为平稳且起伏最小，且平均发射电压响应值最大，故压电陶瓷片的材料选择使用PZT-4；由图8(b)可知，7075铝和H59铜的前质量块都会使波动的幅度变大，并且在第二谐振频率峰处形成类似“M”形波动，因此，前质量块的材料选择45钢；由图8(c)可知，7075铝和H59铜的中间质量块都会使波动的幅度变大，并且除了在第二谐振频率峰处形成类似“M”形波动，还会降低第二谐振频率峰值，所以中间质量块的材料选用45钢；由图8(d)可知，不同材料的后质量块主要影响波动的幅度以及第二谐振频率，7075铝和H59铜的后质量块会使第二谐振频率提前，这也就减少了部分的可用工作带宽，而45钢的后质量块波动起伏最小，可用工作带宽最大，因此后质量块的材料选用45钢。

通过对各参数分别进行优化仿真，所得结果如图9所示。由图9(a)可知，改变前质量块的厚度对发射电压响应曲线整体影响较小，仅会稍微影响波动的幅度，而当前质量块厚度a=4 mm时，波动最小；由图9(b)可知，改变中间质量块的厚度与改变前质量块厚度的情况相同，对发射电压响应曲线整体影响较小，仅会稍微影响波动的幅度，当中间质量块厚度b=4 mm时，波动最小；由图9(c)可知，改变后质量块的厚度不仅会对波动的幅度造成影响，也会改变第二谐振频率，当后质量块厚度c=6 mm时，波动的幅度最小；由图9(d)可知，改变压电陶瓷片的厚度会明显改变发射电压响应曲线，随着压电陶瓷片厚度的增加第一谐振频率峰会逐渐前移，而且会略微提高第一谐振峰值，在25 kHz之后的发射电压响应曲线呈现出剧烈的波动，而只有当压电陶瓷片厚度为3 mm时，才能保证有一段稳定的可用工作带宽，所以压电陶瓷片的厚度取i=3 mm；由图9(e)可知，改变金属质量块和压电陶瓷片的整体半径，会影响到波动的幅度，且会影响到40～55 kHz之间的平均发射电压响应值，综合考虑，当金属质量块和压电陶瓷片的整体半径d₁=14 mm时，此时波动的幅度最小，且平均发射电压响应值适中。

图 9 金属质量块和压电陶瓷片各结构优化对TVR的影响 Fig. 9 The influence of structural optimization of metal mass blocks and piezoelectric ceramic plates on TVR

综上所述，水声换能器各结构参数和选用的材料分别为：前质量块厚度a=4 mm、中间质量块厚度b=4 mm、后质量块厚度c=6 mm、压电陶瓷片厚度i=3 mm、金属质量块和压电陶瓷片整体半径d₁=14 mm、辐射头上端半径r₁=30 mm、下端半径r₂=40 mm、辐射头高度h₂=30 mm、辐射头曲率半径s=12 mm、空腔半径d₂=17.5 mm、空腔高度h₁=3 mm、空腔距辐射头底端高度j=6 mm。压电陶瓷片的材料选择PZT-4，辐射头的材料选择7075硬铝，前、中、后质量块的材料均选择45钢。优化后的水声换能器的发射电压响应频域曲线如图10所示，换能器的最大发射电压响应值为174 dB，在31.92～53.37 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在3 dB以内，可用带宽为21.45 kHz；而在23.17～54.09 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在9 dB以内，可用带宽为30.92 kHz。发射电压响应值均可保持在146 dB左右。

图 10 优化后水声换能器的发射电压响应频域曲线 Fig. 10 Frequency domain curve of emission voltage response of optimized underwater acoustic transducer

水声换能器一般是浸没在水中工作，所以需要保证良好的水密性，因此选择使用聚氨酯为保护层材料。换能器的试验内容包括指向性测试和发射电压响应测试，将换能器通过夹具固定于水面下15 mm处，距水听器2.5 m。

图11为水声换能器的发射电压响应仿真和试验对比图。可知，发射电压响应的测试与仿真曲线整体走向大致相同，但是测试的发射电压响应值要比仿真值低，第一谐振频率有所提前，且第一谐振频率之后的凹谷覆盖的频率范围变大；在可用工作带宽的范围，发射电压响应的测试平均值要比仿真值低5～6 dB，整体保持在140 dB左右，但是可用工作带宽有所增加，在28～55 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在3 dB以内，在22.5～56.5 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在9 dB以内。

图 11 发射电压响应曲线的仿真值与试验值 Fig. 11 Simulation and experimental values of emission voltage response curve

本研究设计了一种采用曲状辐射头的纵振式水声换能器，通过COMSOL有限元仿真分析了其性能，并且探究了不同的材料选择与结构尺寸的参数对换能器性能的影响，仿真结果发现当辐射头材料采用硬铝，压电陶瓷片材料选择PZT-4，金属质量块的材料统一选择45钢时，可以获得一个显著的发射电压响应的提升，而在结构尺寸优化方面，则进一步地对辐射头的上端面半径、下端面半径以及关键的曲率半径以及金属质量块的厚度进行结构优化，最终得到了较为优异的性能参数。仿真结果表明，换能器的最大发射电压响应值为174 dB，在31.92～53.37 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在3 dB以内，可用带宽为21.45 kHz；而在23.17～54.09 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在9 dB以内，可用带宽为30.92 kHz。发射电压响应值均可保持在146 dB左右。并且经过试验测试，发射电压响应的测试平均值要比仿真值低5～6 dB，整体保持在140 dB左右，但是可用工作带宽有所增加，在28～55 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在3 dB以内，在22.5～56.5 kHz之间，发射电压响应起伏可以控制在9 dB以内。