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摘要：为节约开发成本和加快产品研制进程，探讨在不改变原有IV型弯换能器结构的基础上，在换能器壳体表面焊接加强筋板，增加壳体刚度，提升换能器谐振频率和工作带宽。文章利用该方法，将一只IV型弯张换能器的谐振频率由1.575 kHz提升至1.85 kHz，工作带宽从300Hz增加至360Hz，同时提高了换能器的耐静水压力性能。
关键词：IV型弯张换能器;换能器结构;加筋;谐振频率
Ⅳ型弯张换能器主要由内部驱动振子和外部振动壳体组成。它具有低频、大功率、小尺寸的特点，被广泛应用于水声通信、低频探测等领域。IV型弯张换能器的水中谐振频率主要取决于壳体的材料、形状、尺寸。当壳体的结构确定时，换能器谐振频率很难大幅度改变。在工程应用中，设计一款全新的换能器成本较高且研制周期较长。如果在现有换能器的结构上进行改造且能达成预期研制目标，则可节约成本和缩短研制周期。本文提出一种在IV型弯张换能器壳体表面焊接金属筋板的方法，通过适当地设置筋板的宽度、厚度，在不改变换能器结构、尺寸、工艺流程的基础上大幅度提升换能器的工作频率，同时可增加工作带宽，以满足相应的工作要求，拓展换能器的应用范围。
1初始IV型弯张换能器
1.1初始换能器模型
初始的Ⅳ型弯张换能器长轴为300 mm，短轴为150mm，壳体高度为100mm。结构模型如图1。
建立换能器水中模型并计算结果见图2-3。从仿真数据可以看出，换能器谐振频率为1.65 kHz，发送电压响应为142 dB，谐振处电导峰值为1.8 mS，-3 dB带宽约为280Hz。
1.2换能器制作与测试
依据模型试制换能器见图4。其中壳体采用钛合金材料、内部陶瓷采用PZT-8材料。
在消声水池中对换能器进行测试，换能器入水深度是水下3 m。测试换能器性能见图5-6。从图中可以看出，该换能器的谐振频率约为1.575 kHz，谐振处发送电压响应约为141 dB，电导峰值约为2mS，-3 dB带宽约为300 Hz。对比仿真可以看出，换能器实测数据与仿真比较吻合。由于盖板的夹持作用，实测的谐振频率略低于仿真计算结果。
2加筋换能器仿真优化
由运动与振动方程可知，换能器谐振频率可表示为：
式中，ω0是换能器谐振角频率，k是换能器等效刚度，m是换能器等效质量。可以看出，通过提升换能器刚度和减轻质量可以提高换能器谐振频率。壳体加筋提升谐振频率的机理就是加筋增大壳体的等效刚度。这里对刚度影响最大的因素就是筋板的宽度与厚度。图7是加筋后换能器模型。考虑结构的对称性，筋板位于壳体中间位置。
2.1筋的宽度仿真
设置筋板厚度为10 mm，分别计算筋板宽度占壳体高度比例为0、10%、20%、40%、80%、100%情况下换能器性能，结果见图8-10。
通过上述仿真可以看出：（1）增大筋板的宽度可提高换能器的谐振频率。其中筋板宽度不大于壳体宽度的40%时频率提升较多。（2）无筋板与加宽度占比为10%的情况相比，宽度占比10%的情况下的谐振处响应降低、带宽增大。这是由于筋板的存在使殼体成为一个复合梁，降低壳体与振子耦合程度。（3）筋板占比从10%增加至100%，换能器响应逐渐提升，品质因数逐渐升高。响应的提升是因为筋板占比的增加，提高了换能器谐振频率，在辐射面积基本不变的情况下增大了辐射阻抗。品质因数提升主要是由壳体刚度增加引起的。
从仿真可以看出，当筋板宽度占比约在40%时，筋板对频率的提升较多，并且此时换能器也可获得较好的带宽与响应性能。
2.2筋的厚度仿真
设置筋板宽度为40 mm，厚度分别为0 mm、5mm、10 mm、15 mm、20mm、25 mm，仿真结果见图11-13。从图中可以看出，随着筋板厚度的增加，换能器谐振频率、响应、带宽逐渐提升。但当筋板厚度为10 mm时换能器品质因数最低，此时换能器可获得最好的宽带效果。从工程角度来看，焊接筋板的目的是为了降低成本和缩短研制周期，但当筋板的尺寸与壳体可以比拟时，这种优势就逐渐消失。所以筋板的厚度应与实际工程需求相结合，不可一味追求厚度。
3加筋试制
3.1筋板选择
通过上述仿真可以看出，当筋板宽度为40 mm、厚度为10 mm时可在提高谐振频率的基础上保持较好的性能。由Ⅳ型弯张换能器工作原理可知，换能器辐射主要靠短轴的振动，长轴为金属实体，形变较小。这里考虑仅在短轴壳体位置焊接加强筋板。另外考虑筋板过宽会使焊接难度增大，因此改用两条筋板的形式，每条筋宽度为20 mm，对称分布在壳体两侧。结构模型见图14。
仿真对比单筋与双筋性能见图15-16，从图中可以看出，两种方式加筋后的换能器性能基本相同。加筋后换能器谐振频率约为1 925 Hz;谐振处响应约为142.5 dB;电导峰值约为1.4 mS;-3 dB带宽约为400Hz。
3.2换能器制作与测试
按照仿真模型在壳体外侧焊接双金属筋后，装配完毕的换能器如图17所示。水中测试性能见图18-19。从图中可以看出，加筋后换能器谐振频率约为1 850 Hz;谐振处发送电压响应约为142.5 dB;-3 dB带宽约为360Hz;电导峰值约为4 mS。可以看出测试数据与仿真结果较为吻合，其中谐振频率略低于仿真计算结果，这是由盖板夹持造成的（仿真计算中忽略了盖板的夹持影响）;电导峰值较高是因为加筋后陶瓷振子上的预应力增大引起的。
4结论
焊接加强筋提升部件结构强度的方法己广泛应用于结构设计中，但利用加强筋提升换能器谐振频率的应用较少。本文利用焊接加强筋的方法将一只1.575 kHz的Ⅳ型换能器的谐振频率提升至1.85kHz，这种方法不仅可以用于Ⅳ型弯张换能器，还可以用于其它弯曲类换能器。加筋式结构不仅能提升谐振频率、增加换能器的工作带宽，同时由于壳体刚度增强，换能器的耐静水压力性能得以提高，更好地满足换能器的深水下工作的要求。另外，通过多个换能器焊接不同宽度和厚度的筋板，形成在一定频率范围内多个换能器组合而成的声基阵，提高声基阵的工作带宽，实现低频、宽带、大功率的要求。
关键词：IV型弯张换能器;换能器结构;加筋;谐振频率
Ⅳ型弯张换能器主要由内部驱动振子和外部振动壳体组成。它具有低频、大功率、小尺寸的特点，被广泛应用于水声通信、低频探测等领域。IV型弯张换能器的水中谐振频率主要取决于壳体的材料、形状、尺寸。当壳体的结构确定时，换能器谐振频率很难大幅度改变。在工程应用中，设计一款全新的换能器成本较高且研制周期较长。如果在现有换能器的结构上进行改造且能达成预期研制目标，则可节约成本和缩短研制周期。本文提出一种在IV型弯张换能器壳体表面焊接金属筋板的方法，通过适当地设置筋板的宽度、厚度，在不改变换能器结构、尺寸、工艺流程的基础上大幅度提升换能器的工作频率，同时可增加工作带宽，以满足相应的工作要求，拓展换能器的应用范围。
1初始IV型弯张换能器
1.1初始换能器模型
初始的Ⅳ型弯张换能器长轴为300 mm，短轴为150mm，壳体高度为100mm。结构模型如图1。
建立换能器水中模型并计算结果见图2-3。从仿真数据可以看出，换能器谐振频率为1.65 kHz，发送电压响应为142 dB，谐振处电导峰值为1.8 mS，-3 dB带宽约为280Hz。
1.2换能器制作与测试
依据模型试制换能器见图4。其中壳体采用钛合金材料、内部陶瓷采用PZT-8材料。
在消声水池中对换能器进行测试，换能器入水深度是水下3 m。测试换能器性能见图5-6。从图中可以看出，该换能器的谐振频率约为1.575 kHz，谐振处发送电压响应约为141 dB，电导峰值约为2mS，-3 dB带宽约为300 Hz。对比仿真可以看出，换能器实测数据与仿真比较吻合。由于盖板的夹持作用，实测的谐振频率略低于仿真计算结果。
2加筋换能器仿真优化
由运动与振动方程可知，换能器谐振频率可表示为：
式中，ω0是换能器谐振角频率，k是换能器等效刚度，m是换能器等效质量。可以看出，通过提升换能器刚度和减轻质量可以提高换能器谐振频率。壳体加筋提升谐振频率的机理就是加筋增大壳体的等效刚度。这里对刚度影响最大的因素就是筋板的宽度与厚度。图7是加筋后换能器模型。考虑结构的对称性，筋板位于壳体中间位置。
2.1筋的宽度仿真
设置筋板厚度为10 mm，分别计算筋板宽度占壳体高度比例为0、10%、20%、40%、80%、100%情况下换能器性能，结果见图8-10。
通过上述仿真可以看出：（1）增大筋板的宽度可提高换能器的谐振频率。其中筋板宽度不大于壳体宽度的40%时频率提升较多。（2）无筋板与加宽度占比为10%的情况相比，宽度占比10%的情况下的谐振处响应降低、带宽增大。这是由于筋板的存在使殼体成为一个复合梁，降低壳体与振子耦合程度。（3）筋板占比从10%增加至100%，换能器响应逐渐提升，品质因数逐渐升高。响应的提升是因为筋板占比的增加，提高了换能器谐振频率，在辐射面积基本不变的情况下增大了辐射阻抗。品质因数提升主要是由壳体刚度增加引起的。
从仿真可以看出，当筋板宽度占比约在40%时，筋板对频率的提升较多，并且此时换能器也可获得较好的带宽与响应性能。
2.2筋的厚度仿真
设置筋板宽度为40 mm，厚度分别为0 mm、5mm、10 mm、15 mm、20mm、25 mm，仿真结果见图11-13。从图中可以看出，随着筋板厚度的增加，换能器谐振频率、响应、带宽逐渐提升。但当筋板厚度为10 mm时换能器品质因数最低，此时换能器可获得最好的宽带效果。从工程角度来看，焊接筋板的目的是为了降低成本和缩短研制周期，但当筋板的尺寸与壳体可以比拟时，这种优势就逐渐消失。所以筋板的厚度应与实际工程需求相结合，不可一味追求厚度。
3加筋试制
3.1筋板选择
通过上述仿真可以看出，当筋板宽度为40 mm、厚度为10 mm时可在提高谐振频率的基础上保持较好的性能。由Ⅳ型弯张换能器工作原理可知，换能器辐射主要靠短轴的振动，长轴为金属实体，形变较小。这里考虑仅在短轴壳体位置焊接加强筋板。另外考虑筋板过宽会使焊接难度增大，因此改用两条筋板的形式，每条筋宽度为20 mm，对称分布在壳体两侧。结构模型见图14。
仿真对比单筋与双筋性能见图15-16，从图中可以看出，两种方式加筋后的换能器性能基本相同。加筋后换能器谐振频率约为1 925 Hz;谐振处响应约为142.5 dB;电导峰值约为1.4 mS;-3 dB带宽约为400Hz。
3.2换能器制作与测试
按照仿真模型在壳体外侧焊接双金属筋后，装配完毕的换能器如图17所示。水中测试性能见图18-19。从图中可以看出，加筋后换能器谐振频率约为1 850 Hz;谐振处发送电压响应约为142.5 dB;-3 dB带宽约为360Hz;电导峰值约为4 mS。可以看出测试数据与仿真结果较为吻合，其中谐振频率略低于仿真计算结果，这是由盖板夹持造成的（仿真计算中忽略了盖板的夹持影响）;电导峰值较高是因为加筋后陶瓷振子上的预应力增大引起的。
4结论
焊接加强筋提升部件结构强度的方法己广泛应用于结构设计中，但利用加强筋提升换能器谐振频率的应用较少。本文利用焊接加强筋的方法将一只1.575 kHz的Ⅳ型换能器的谐振频率提升至1.85kHz，这种方法不仅可以用于Ⅳ型弯张换能器，还可以用于其它弯曲类换能器。加筋式结构不仅能提升谐振频率、增加换能器的工作带宽，同时由于壳体刚度增强，换能器的耐静水压力性能得以提高，更好地满足换能器的深水下工作的要求。另外，通过多个换能器焊接不同宽度和厚度的筋板，形成在一定频率范围内多个换能器组合而成的声基阵，提高声基阵的工作带宽，实现低频、宽带、大功率的要求。