Page 112 - 无损检测2022年第一期

压电陶瓷材料及压电超声换能器的无损检测应用

DOI : 10.11973 / ws j c202201018

用于水下探测的宽带超声换能器设计

刘晓晓, 张 浩, 曾 涛
( 上海材料研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室, 上海 200437 )

摘 要:为研制一种可用于水下探测的宽带纵振换能器, 采用双激励设计方法拓宽换能器带

宽, 预设换能器目标谐振频率为 23 , 42kHz , 基于双激励纵振换能器共振频率方程, 对双激励纵振
换能器进行了理论设计, 在此基础上通过有限元建模优化设计, 并对其在空气中和水中的导纳曲线

和发射电压响应进行了仿真。仿真结果表明, 该换能器在空气中的谐振频率为 22.56 , 42.56kHz , 对
应导纳为53.44 , 22.7mS ; 在水中的工作频带为 19.6~43.6kHz , 最大发射响应为 147.1dB , 带内起伏

为6.7dB 。制作的换能器在空气中的谐振频率为 22.14 , 41.2kHz , 对应的导纳为 47.4 , 17.7mS ; 在水

中的工作频带为19.0~43.5kHz , 带内起伏为8dB , 与理论设计基本一致, 符合设计要求。

关键词:双激励夹心式换能器; 带宽; 共振频率方程; 仿真设计; 性能测试

中图分类号: TB552 ; TG115.28 文献标志码: A 文章编号: 1000-6656 ( 2022 ) 01-0074-06

Desi g nofwidebandultrasonictransducerforunderwaterdetection

LIUXiaoxiao , ZHANGHao , ZENGTao

( Shan g haiKe yLaborator yofEn g ineerin g MaterialsA pp licationandEvaluation ,

Shan g haiResearchInstituteofMaterials , Shan g hai200437 , China )

Abstract : Todevelo pabroadbandlon g itudinalvibrationtransducerwhichcanbeusedforunderwaterdetection ,

thisp a p erado p tsthemethodofdoubleincentivedesi g ntobroadenthebandwidthofthetransducer.Settin gthe

tar g etresonantfre q uenc yofthetransduceras23kHz , 42kHz , basedondoubleincentiveresonancefre q uenc y

e q uationoflon g itudinalvibrationtransducer , thisp a p ercarriedonthetheoreticaldesi g nofthedoubleincentive

lon g itudinalvibrationtransducer.Onthebasisofo p timizationdesi g nb yfiniteelementmodelin g , wesimulateits

admittancecurveandtransmissionvolta g eres p onseinairandwater.Thesimulationresultsshowthattheresonant

fre q uenc yofthetransducerinairis22.56kHzand42.56kHz , thecorres p ondin gadmittanceis53.44 mSand

22.7mS , thebandwidthofthetransducerinwateris19.6~43.6kHz , themaximumemissionres p onseis147.1dB ,

andthein-bandfluctuationis6.7dB.Thetransducerp rotot yp e was madeanditsresonantfre q uenc yinairis

22.14kHzand41.2kHz , thecorres p ondin gadmittanceis47.4mSand17.7 mS , theworkbandwidthinwateris

19.0-43.5kHz , andthefluctuationinthebandis8dB , whichisbasicall y consistentwiththetheoreticaldesi g nand

meetsthedesi g nre q uirements.

Ke ywords : doubleexcitationsandwichtransducer ; bandwidth ; resonantfre q uenc y e q uation ; simulationdesi g n ;

p erformancetest
迄今为止, 声波是人类所发现的能在水中远距离 声波来传递信息 [ 1 ] 。利用声波可以完成水下目标的
传输信号和能量的唯一载体, 现有的水声设备都依靠 检测、 识别、 定位、 通讯、 导航、 水中成像等 [ 2 ] 。水声换
能器是声呐探测设备的核心部件, 承担着信号发射和
收稿日期: 2021-06-10 [ 3 ]
接收的使命, 在水声探测领域发挥着重要作用 。
基金项目: 上海材料研究所技术创新项目( 21181302 )
纵振换能器是水声换能器领域的一个分支, 其
作者简介: 刘晓晓( 1995- ),女, 助理工程师, 主要从事 超 声 换

能器的研究工作 设计理论成熟、 制作工艺简单、 性能稳定, 在水下目
标探测中有着广泛的应用 [ 4 ] 。为了能准确探测到障
通信作者: 张 浩, zhan g hao324419@126.com
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2022 年 第 44 卷 第 1 期
无损检测