不同填充油对圆环换能器性能影响

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　　对于可在深海条件下工作的换能器，为能承受较高的静水压力，常见的换能器结构有充油式、溢流式、采用压力补偿等。其中，充油式换能器是在换能器的内部充入填充油，随着外界压力的升高内部填充油受压产生相应的内压，达到内外压力平衡，从而使换能器能够在高静压条件下工作。充油式圆环换能器具有耐高静水压、水平无指向性的特点，通过合理设计陶瓷圆环的直径、高度等尺寸，可在垂直方向获得宽波束的指向性，即半空间指向性换能器，常用于深海数据通信、导航、探测等领域。需注意的是，根据填充油的种类不同，充油圆环换能器的性能差异较大，本文对此做了分析和测试。

　　1 充油圆环计算

　　内腔充油的圆环换能器，由于液腔的引入，存在两种振动模态，即压电陶瓷圆环的径向振动和被圆环激励的内部液腔振动。对于液腔谐振频率的计算，McMahon 指出液腔振动的一阶谐振频率为[2]：

　　Ω满足下列方程：

　　其中，h是液腔的高度，a是液腔的半径，c是液腔中液体的声速，B是液体的体积弹性模量，t为管壁厚，EY为圆环的弹性模量。

　　可见，液腔振动的频率主要取决于液腔的几何尺寸(液腔高度和直径)以及腔内液体的特性。设定尺寸为82mm×74mm×32mm的圆环，内腔分别填充蓖麻油和甲基硅油，从材料手册可查到其参数分别为：

　　可见，二者的密度相差不大，主要差异在于声速，在液腔尺寸相同的情况下，声速差异导致了液腔频率的差异，从而影响了换能器的性能。利用式(1)，可计算蓖麻油和甲基硅油分别对应的液腔频率为8.9kHz和5.9kHz。

　　对于内腔充油的圆环换能器，可以使用有限元软件 ANSYS 仿真计算其性能，为减少节点单元个数，缩短计算时间，可建立二维轴对称模型。采用PLANE13单元模拟压电陶瓷，采用FLUID30单元模拟填充油及外围水等，内腔分别填充蓖麻油和甲基硅油，计算其水中电导，同时比较内腔为空气的情况，结果如图1。

　　可见，内腔填充油特性的不同，对换能器性能影响较大。内腔为空气时，其谐振频率为11kHz，带宽相对较窄;内腔为蓖麻油时，其液腔谐振峰在8.6kHz，与公式(1)计算较为接近，圆环径向谐振峰从导纳上看不明显，大约位于14kHz左右。填充硅油时，由于硅油对应的液腔谐振峰频率较低，未能被圆环有效激发，导纳曲线表现为单独一个径向谐振峰，谐频频率仍在11kHz左右。

　　从声压分布图上，能清楚的看出液腔产生的谐振峰和圆环径向谐振峰的区别，以填充蓖麻油时为例，提取8.6kHz和14kHz 时的声压分布，如图2所示。从图中可见，8.6kHz时，声压从中心往上下两端逐渐减弱，为液腔振动模态;而14kHz时，声压从中心往径向方向逐渐减弱，是典型的径向振动模态。