基于ATILA的宽带超磁致伸缩纵振换能器设计

　　目前国内使用较成熟的换能器分析软件，无法对磁致伸缩类型的换能器直接进行建模分析，例如ANSYS有限元软件，它不具有解决磁致伸缩机电耦合问题的模块，而是通过压电-压磁比拟法进行类比计算的[1]，并且很多计算结果还要进行适当的转换，过程相对繁琐，容易出错. 作为国内新引进的专业换能器分析软件，ATILA对于此类问题的分析优势明显，国外使用此软件解决各类换能器问题已有多年经验[2]，但在国内还只是刚刚起步. 如何利用好ATILA有限元软件对换能器进行准确有效的分析，发挥出其优异的性能，是目前需要研究的课题.稀土超磁致伸缩材料TbxDy1-xFe2-y，具有较低的各向异性，并可以获得较大的磁致伸缩系数[3]. 这种材料的应变比压电陶瓷的大4倍以上，能量密度比压电陶瓷的大10倍以上，并且杨氏模量较低，因此常被用于设计低频、大功率水声换能器[4-5]. 其中，应用最多的是结构相对简单、性能稳定的纵振式换能器. 欧美一些国家设计出了不同结构形式的超磁致伸缩纵振换能器[6-7]，近些年，国内很多研究机构也进行了相关研究[8-9]，结果均显示了其在中低频段具有优良的性能.

　　本文利用ATILA有限元软件建模并计算了一个稀土超磁致伸缩材料作为驱动元件的纵振换能器，通过纵向振动和弯曲振动耦合实现宽频带发射. 换能器磁路部分的设计是通过ANSYS有限元软件完成的，以确定换能器内部驱动的结构形式. 最后给出了所制作的宽带超磁致伸缩纵振换能器的测试结果.

　　1 ATILA有限元软件介绍

　　ATILA最初是由法国ISEN公司开发的一套辅助设计声呐传感器的有限元分析软件. 后经不断的发展和更新，使之成为解决传感器、换能器的专业分析工具. 软件里对无载荷的弹性、压电、电致伸缩和磁致伸缩结构可以进行静态分析、模态分析、谐响应分析和瞬态分析，得到位移场、波节面位置、应力场、远场和近场声压、发送电压响应、指向性以及电阻抗等. 目前国内各研究部门接触这款软件的时间都不是很长，软件的各方面性能还在探索之中.

　　ATILA软件本身并没有方便快捷的操作界面，虽然可以进行后处理计算，但分析功能要受到一定的限制. 而GiD软件常用于计算机辅助分析的前后处理，涵盖信息、几何特征和网格生成，及各种可视化显示类型，所以在 GiD软件中形成ATILA的接口界面，在GiD中进行前后处理，界面更加友好、方便[10].

　　利用GiD和ATILA进行设计的主要流程如下图1所示，前处理中要进行几何建模、赋材料属性、施加边界条件、进行网格划分以及一些计算条件的设定，然后进行计算，计算结束后在后处理中就可以进行阻抗、谐振模态、位移和压力分析等.