某型换能器水声压电响应仿真分析的方案对比.docx
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某型换能器水声压电响应仿真分析的方案对比
某型换能器水声压电响应仿真分析的方案对比
作者：
葛辉良白琳琅詹福良
1、概述
研究对象是某型压电换能器，在压强为1Pa的平面声波作用下换能器的压电输出。
由于压电效应单元LMS公司不提供相应的解决方案，故本文只分析不同方向平面声波作用下在压电介质表面产生的声压响应（本报告只列出1800Hz和10000Hz平面波在0入射角度下的仿真计算结果来说明问题），并将结果输出供进一步的压电电量分析使用。
本分析使用LMS公司著名声学软件SYSNOISE完成。
具体采用了多种不同的解决方案进行对比研究：
1）采用声学有限元（模拟换能器的聚氨酯外套）与直接声学边界元（模拟钢壳支座及换能器聚氨酯外套构成的水声边界）耦合求解，直接获得多介质水声传播场问题中换能器表面的声压响应，并获得声纳整体的声场分布；2）采用结构有限元（模拟所有的换能器结构组成：
钢壳支座+换能器+聚氨酯外套，并在SYSNOISE中用模态坐标求解）与直接/间接声学边界元（模拟钢壳支座及换能器聚氨酯外套构成的水声边界）耦合求解，获得结构声学耦合问题的结构模态参与因子与换能器表面的位移响应，并获得声纳整体的声场分布；3）采用直接/间接声学边界元（模拟钢壳支座及换能器聚氨酯外套构成的水声边界）进行纯声学求解，获得声纳整体的非耦合声场分布。
上述各方案中，1）与2）的结果都可以进一步结合压电分析单元求解换能器的电荷输出，3）的结果只为对比声纳整体的非耦合声场分布特性，帮助理解水声问题耦合分析的重要性。
2、分析模型
根据提供的几何外形，建立了相应的分析模型如图。
根据结构几何及所考虑问题的对称性，取一半模型施加对称边界条件来模拟。
按照分析要求，在0-180度范围内间隔30度（如图θ）分别进行声场和压电介质表面声压的计算。
图1原始几何模型
图2方案1的SYSNOISE耦合仿真（FEMFluid+DBEM）分析模型
图3方案2的SYSNOISE耦合仿真（FEMStructure+DBEM/IBEM）分析模型
图4方案3的SYSNOISE纯声学边界元（DBEM/IBEM）分析模型
3.不同分析方案/模型的结果比较
3.1各种模型整体声压分布比较（θ=0°）
下面列出的是各种耦合/非耦合方案在θ=0°分析结果的声压分布对比：
图5θ=0°平面声波（1800Hz）作用下的整体声压分布对比
左上：
UncoupledIBEM（方案3）；右上：
UncoupledDBEM（方案3）
左下：
CoupledDBEM+FemStru（方案2）；右下：
CoupledDBEM+FemFluid（方案1）
图6θ=0°平面声波（10000Hz）作用下的整体声压分布对比
左上：
UncoupledIBEM（方案3）；右上：
UncoupledDBEM（方案3）
左下：
CoupledDBEM+FemStru（方案2）；右下：
CoupledDBEM+FemFluid（方案1）
从结果看出，方案1）非耦合模型与方案3）纯声学耦合模型的结果比较一致，而与方案2）的结果差异较大（尤其在1800Hz低频段）。
原因是方案1）3）都没有考虑水这一重流体的声压对结构振动的影响，而方案2）考虑。
由此看出，对水声问题考虑结构与流体的耦合是很重要的，因此方案2）是重要的备选方案。
但是，由于本问题结构刚度很大（基频在4900Hz以上），而计算的重点是2000Hz以下水声响应，此时的模态叠加方法是否可靠？
实际上，模态叠加理论对这个问题的回答是肯定的，具体应用中注意将模态截断频率尽量选高一些即可（一般选关心频率的2~3倍即足够）。
关于本问题我们用直接解法与模态叠加法的例题可以证明上述结论。
那么这里只有方案2）包括的两种边界元选择有无差别是值得探讨的问题，为此就方案2）进行进一步对比研究。
3.2方案2的直接/间接耦合模型整体声压分布比较（θ=0°）
下面列出的是直接/间接耦合模型在θ=0°分析结果的声压分布对比情况（间接边界元耦合模型中需要定义内部流体介质为空）：
图7θ=0°平面声波（1800Hz）作用下的整体声压分布对比
左上：
CoupledIBEM—333积分；右上：
CoupledIBEM—221积分
左下：
CoupledDBEM—333积分；右下：
CoupledDBEM—221积分
图8θ=0°平面声波（10000Hz）作用下的整体声压分布对比
左上：
CoupledIBEM—333积分；右上：
CoupledIBEM—221积分
左下：
CoupledDBEM—333积分；右下：
CoupledDBEM—221积分
从结果看出，直接/间接耦合模型的结果基本是完全一致的，证明了SYSNOISE声固耦合模型的可靠性。
至此，实际应用中可以信赖方案2）的分析结果。
为获得最终结构模型中压电介质表面部分的位移响应结果，采用间接边界元更灵活。
所以最终分析采用方案2）的间接声固耦合（CoupledIBEM）模型完成。
本文还进一步对比了间接声固耦合模型中定义内部流体介质为空和不定义内部流体介质为空的差别，以进一步掌握重流体介质声固耦合的影响如下：
图9间接模型中是否定义内部流体介质为空的结果对比
上排：
内部流体介质不为空；下排：
内部流体介质为空
根据上述结果看到，间接模型中是否定义内部流体介质为空对计算结果的影响非常显著。
实际上，从上面的对比我们可以看出内部如果充水，会使声波的“透射”效果极大增强，从而增大结构薄弱环节（支座底面）的响应而减弱换能器位置的声压敏感度，这对拾取水声信号是不利的。
因此，实际声纳结构的设计应当注意保证支座结构的腔体密封，避免内部进水。
图10使用Virtual.Lab仿真分析的界面、结果、及特征树管理
3、结论与建议
从计算结果看到，对水声问题考虑结构与流体的强耦合作用是绝对必要的。
从方案对比研究来看，方案2的SFEM+IBEM耦合方法是最适合的。
现在唯一的问题是如何将压电陶瓷以及压电回路的阻抗特性也考虑进来实现该复杂工程问题的水声——结构——压电全耦合求解，表面看起来好像不太可能，但实际是完全可以的，而根本原因在于SYSNOISE5.5版本以后的“干模态”耦合算法。
该方法的具体步骤如下：
1）根据模态叠加理论，我们先使用ANSYS的压电—结构耦合场分析求解被动声纳系统的耦合模态特性，该模态不同于纯结构模态的地方就是将压电元件及其回路的阻抗特性自动考虑了进去；
2）然后利用该压电耦合模态在SYSNOISE中进行水声声场的强耦合分析，得到被动声纳系统在入射水声声波作用下的耦合强迫相应，实际上就是得到了水声——结构——压电全耦合状态系统的结构强迫相应；
3）最后将压电陶瓷部件的位移响应结果（或模态参与因子）导回ANSYS压电耦合模型进行HARMONIC分析，即得到换能器在入射声波作用下的压电电压或电荷输出。
上述步骤，实际与本报告方案2的流程是完全一致的，只是具体的结构模态因考虑压电效应而不同（如果压电效应对结构模态的影响非常小乃至可以忽略，则本报告结果即可直接应用）。
篇幅关系，这里不再赘述，耦合模态计算结果实际已经得到，本例题的压电耦合模态与纯结构模态的差异并不十分显著。
根据上面的分析过程，SYSNOISE可以比较方便高效地解决这类水声研究问题，建模过程简便，计算效率非常高，计算一个工况（入射角度）在普通微机上（P4以上）只需要几分钟即可完成。
当然，实际应用中，SYSNOISE还有更多的功能可供选择，研究更复杂的水声世界：
包括声学有限元/无限元及其耦合；直接/间接声学边界元及其耦合；流体与结构的声振耦合；吸声材料模型；快速ATV及其优化技术；以及贡献量分析和大规模问题的并行计算技术等等。
进一步考虑本题目的研究，可以结合LMS公司强大的数值优化工具Optimus软件，来考察钢壳结构尺寸和厚度变化、换能器安装位置、聚氨酯外套厚度、材料等对换能器压电介质表面声压分布的影响，从而实现对整个问题的设计空间做详细和深入的探索了解，将是非常有意义的工作。
通过Optimus软件与SYSNOISE结合，还能够将这类水声分析的标准流程捕获下来，通过设计探索、参数优化、和创新改进，在专业领域构建强大的技术创新研发实力。
4、其它建议
需要说明的是，上述方法对被动声纳系统是非常有效的，但对主动辐射声纳由于压电激励产生的机械载荷不容易描述，所以无法直接使用模态叠加理论而带来新的难题。
但是我们根据国外的经验可以使用如下的矩阵耦合方案来解决：
采用ANSYS或其他压电耦合分析软件（如ATILA）得到声纳系统（比如声纳阵列）的复刚度矩阵、实质量矩阵、和复载荷矩阵并导出；然后使用SYSNOISE的高级外部矩阵功能将其导入，并与水声声学模型矩阵完全耦合，在SYSNOISE内完成声纳系统水声—结构—压电全耦合模型的水声辐射模拟。
典型的成功案例是法国军方的THALESUnderwaterSystems[Sophia-Antipolis,SouthernFrance]所做的一系列研发工作。
（但如果不是水声问题，比如声学介质是空气，那么问题会因为不需要强声固耦合而得到极大简化，从而可方便地使用SYSNOISE直接完成各种声场分析。
这类问题在民用声电传感器等领域比较常见，并具有较大的潜在应用价值，典型的成功案例是德国的VALEOSWITCHES+SENSORS[Stuttgart-Germany]所做的超声波倒车雷达的应用等等）。
另外需要说明的是，上述所有内容的仿真分析工作，都可以在LMSVitual.Lab中更方便地完成。
Virtual.Lab是SYSNOISE的升级产品，提供更加强大的功能和更加友好的用户界面以及方便的系统集成能力。
尤其是从易用性角度Virtual.Lab有非常大的提高，整个模型和操作过程使用特征树管理，象CAD软件一样清晰、直观和方便，并支持参数驱动技术可动态修改模型参数自动更新计算结果……。
有关详细的介绍可以参见LMSVirtual.Lab的相关资料。
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