Page 15 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 伊子旭等： 宽体液腔 Janus-Helmholtz 换能器
0 引言
随着远洋水声通信、海底地质探测、海底地
震预警等水声技术的发展，对于拥有低频、宽
带、深水工作等优良特性的水声换能器产生了
巨大的应用需求。在不同种类的换能器中，利用
有源驱动与 Helmholtz 共振器相结合设计的一类
Helmholtz 发射换能器，因其在以上提及方面上所
具有的独特优势，成为了水声换能器研究的一个
热点 [1−4] 。这其中，由法国学者设计的一类 Janus-
Helmholtz(JH) 换能器在一众 Helmholtz 换能器中
脱颖而出。Janus-Helmholtz 换能器利用可双面辐
射的 Janus 振子作为驱动，在振子辐射头背侧装有
直筒 Helmholtz 腔体，在模态耦合中利用振子振动
模态与液腔谐振模态进行耦合发射，同时利用二者
声辐射耦合中的多极子效应，使其发射响应尽量平
坦 [5] 。
JH 换能器虽然可实现低频、宽带、深水工作，
但其低频工作性能相较其他宽带换能器有一定差
距，工作频带内发射电压响应起伏较大，实际工作时
Helmholtz 腔体谐振部分不能善加利用
Helmholtz 腔体内添加顺性管的方式，可有效改善
其工作能力，但由于顺性管存在工作水深的限制，这
也影响到了 JH 换能器的深水工作能力
提出了一种宽体壳体 JH 换能器设计，通过有限元
二维轴对称建模仿真，发现使用宽体壳体后，不仅两
个谐振频率有不同的改变，发射电压响应的低谷亦
得到提高，整体平坦度有很大改善，这种结果与单纯
振动液腔增大的影响还是有区别的。
本文使用有限元软件 COMSOL 对宽体壳体
JH换能器进行了三维建模仿真分析，得出了发射电
压响应随壳体宽度变化的规律。分析了二维建模中
忽略的连接件部分对换能器性能的影响，并分析了
存在连接件条件下的壳体模态。根据仿真结果设计
了一款实验样机，最终样机测试结果与仿真结果有
很好的一致性，宽体壳体 JH 换能器相较直筒 JH 换
能器则产生了谐振频率降低 300 Hz 的效应，最高发
射电压响应可达144 dB。
1 宽体液腔JH换能器的有限元仿真
JH换能器的辐射声场，可以看作Janus驱动振
子两端前盖板处声辐射与腔体谐振于壳体开口处
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声辐射叠加而形成的多极子辐射声场。Janus 振子
两端的前盖板与其后盖板激发的液腔谐振可以看
作这个多极子系统内的不同的声源。这其中两端前
盖板与两个液腔可分别看作是一组同相声源，而这
两组声源的相位则相反。故此多极子系统的声辐射
能力不仅仅与单个声源的性能相关，还与系统中各
个声源总体声辐射耦合息息相关。
现提出一种宽体壳体设计思想。通过将外壳体
沿 Janus 振子辐射面平行的方向扩展，形成如图 1
所示的宽体壳体结构。此种结构类似于一块声障
板，通过改变各个声源之间的声程差来改变多极子
系统的声耦合，从而改变 JH 换能器整体的声辐射
性能。JH 换能器在工作时，因对称性在图 1 所标注
的径向为全指向性，常采用竖直吊放方式以达到水
平方向的全指向性，故本文研究的也主要是径向方
向换能器整体的声辐射特性。
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图 1 宽体液腔 JH 换能器结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of JH transducer with
dilated cavity
为分析宽体液腔对 JH 换能器声辐射性能的影
响。本文使用有限元方法对宽体液腔 JH 换能器进
行建模与分析。由于换能器本身具有很好的对称
性，故建立如图 2 所示的 1/8 模型，模型的整体尺寸
为 ϕ250 mm × 400 mm，前辐射头及中间质量块使
用钛合金材料，壳体使用硬铝，材料参数包括杨氏
模量、泊松比和材料密度。有源材料为厚度极化的
PZT-4 圆环压电陶瓷片，材料参数包括介电常数、
压电常数、弹性常数和材料密度。建模中包括了壳
体与Janus振子的连接体部分。
通过改变宽体壳体的宽度拓展增量 d(d=0 代
表筒壳时的状态)分析d对发射电压响应的影响，得
出如图 1 中所标识的径向方向的发射电压响应曲
线，如图3所示。