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基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究

耿鹏飞 田杜养 刘小光 程彩霞 冀邦杰

耿鹏飞, 田杜养, 刘小光, 等. 基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 958-965 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0084
引用本文: 耿鹏飞, 田杜养, 刘小光, 等. 基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(6): 958-965 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0084
GENG Pengfei, TIAN Duyang, LIU Xiaoguang, CHENG Caixia, JI Bangjie. Research on Process of Longitudinal Vibration Underwater Acoustic Transducer Based on Acousto-Solid-Piezoelectric Coupling[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 958-965. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0084
Citation: GENG Pengfei, TIAN Duyang, LIU Xiaoguang, CHENG Caixia, JI Bangjie. Research on Process of Longitudinal Vibration Underwater Acoustic Transducer Based on Acousto-Solid-Piezoelectric Coupling[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(6): 958-965. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0084

基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0084
详细信息
    作者简介:

    耿鹏飞(1991-), 男, 工程师, 主要研究方向为结构设计及水下多物理场仿真

  • 中图分类号: TJ630.34; U666.74

Research on Process of Longitudinal Vibration Underwater Acoustic Transducer Based on Acousto-Solid-Piezoelectric Coupling

  • 摘要: 目前纵振水声换能器的设计过程只针对理想状态, 实际过程中生产工艺环节对后期换能器的相关电声性能也有一定影响。文中利用有限元分析软件, 分别建立陶瓷环涂胶有限元模型、陶瓷环装配同轴度有限元模型以及预紧力装配有限元模型, 完成了对相关模型电声性能的仿真分析。对比结果发现: 换能器涂胶粘接可以通过填补各零件端面间的微小空隙来提高压电陶瓷环的整体刚性, 进而使得综合弹性模量增大, 从而导致谐振频率增加, 换能器谐振频率随着粘接层厚度增大而减小, 随着残胶层厚度增大而增大; 陶瓷环装配同轴度高的换能器对应频率处电导也越高且发送电压响应曲线更加平滑, 毛刺明显减少; 施加到预紧力螺栓的预紧力越大, 带匹配层的换能器1阶和2阶谐振频率均增大且对应电导及发送电压响应也发生变化。经过水池试验, 对比分析了仿真结果与试验结果, 其测试结果与仿真结果趋势具有较好的一致性。

     

  • 图  1  带粘接层的1/6换能器局部模型示意图

    Figure  1.  1/6 transducer model with an adhesive layer

    图  2  压电常数随预紧力变化

    Figure  2.  Variation of piezoelectric constants with pre-tensioning force

    图  3  换能器三维模型

    Figure  3.  3D model of transducer

    图  4  网格模型

    Figure  4.  Mesh model

    图  5  压电陶瓷环极化方向和电连接示意图

    Figure  5.  Polarization direction and electrical connection of piezoelectric ceramic ring

    图  6  空气中粘接层对换能器电导影响仿真曲线

    Figure  6.  Simulation curves of the effect of adhesive layer on conductivity of transducer in air

    图  7  空气中残胶层对换能器电导影响仿真曲线

    Figure  7.  Simulation curves of the effect of residual glue layer on conductivity of transducer in air

    图  8  空气中同轴和非同轴换能器电导随频率变化仿真曲线

    Figure  8.  Simulation curves of conductivity with frequency of coaxial and non-coaxial transducers in air

    图  9  水中同轴和非同轴换能器TVR随频率变化仿真曲线

    Figure  9.  Simulation curves of TVR with frequency of coaxial and non-coaxial underwater transducers

    图  10  2种预紧力下换能器中应力分布

    Figure  10.  Stress distribution in transducers under two pre-tensioning forces

    图  11  空气中2种预紧力下换能器电导随频率变化仿真曲线

    Figure  11.  Simulation curves of conductivity with frequency of transducer under two pre-tensioning forces in air

    图  12  空气中2种预紧力下匹配层换能器电导随频率变化仿真曲线

    Figure  12.  Simulation curves of conductivity with frequency of transducer with a matching layer under two pre-tensioning forces in air

    图  13  水中2种预紧力下TVR随频率变化曲线

    Figure  13.  Simulation curves of TVR with frequency under two pre-tensioning forces in water

    图  14  压电换能器实物

    Figure  14.  Physical piezoelectric transducer

    图  15  粘接层对换能器电导影响的仿真与实验对比

    Figure  15.  Comparison of simulation and experimental data on effect of adhesive layer on conductivity of transducer

    图  16  残胶层对换能器电导影响的仿真与实验对比

    Figure  16.  Comparison of simulation and experimental data on effect of residual glue layer on conductivity of transducers

    图  17  非同轴装配方式下换能器TVR仿真与实验对比

    Figure  17.  Comparison of simulation and experimental data of TVR for non-coaxial assembly mode of transducer

    图  18  2种螺栓预紧力下电导随频率变化的仿真与实验数据对比

    Figure  18.  Comparison of simulation and experimental data of conductivity variation with frequency under two bolt pre-tensioning force levels

    图  19  2种螺栓预紧力下TVR仿真与实验对比

    Figure  19.  Comparison of simulation and experimental data of TVR under two bolt pre-tensioning force levels

    表  1  PZT-4材料参数

    Table  1.   PZT-4 material parameters

    名称材料参数
    弹性常数/GPa$ C_{11}^E $$ C_{12}^E $$ C_{13}^E $$ C_{33}^E $$ C_{44}^E $$ C_{66}^E $
    13977.874.311525.630.6
    压电应力常数/
    [10–10×(N·m−2)]
    ${ {{e} }_{15} }$${ {{e} }_{31} }$${ {{e} }_{33} }$
    12.7−5.215.1
    相对介
    电常数
    $ \varepsilon _{11}^S/{\varepsilon _0} $$ \varepsilon _{22}^S/{\varepsilon _0} $$ \varepsilon _{33}^S/{\varepsilon _0} $
    730730635
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    表  2  空气中同轴和非同轴换能器性能参数

    Table  2.   Performance parameters of coaxial and non-coaxial transducers in air

    模型1阶谐振
    频率/kHz
    1阶电导/mS2阶谐振
    频率/kHz
    2阶电导/mS
    同轴21.45.2536.02.90
    非同轴21.24.0435.81.84
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    表  3  空气中2种预紧力下换能器性能参数列表

    Table  3.   Performance parameters of transducer under two pre-tensioning forces in air

    预紧力/N·m1阶谐振
    频率/kHz
    1阶电导/mS2阶谐振
    频率/kHz
    2阶电导/mS
    5.725.05.09
    5.720.22.7535.81.85
    10.726.05.50
    10.720.84.1636.02.10
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-02
  • 修回日期:  2023-04-06
  • 网络出版日期:  2023-11-17

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