高频大尺寸水平无指向性发射换能器研究

2018-01-22朱张立赵双董铭锋

声学与电子工程 2017年4期

朱张立赵双董铭锋

（第七一五研究所，杭州，310032）

高频无指向性换能器是水下目标探测和预警的利器。水下小目标特别是作战蛙人对海军港口、军舰、钻井平台等高价值目标构成了重要威胁。越南曾在2014年派遣蛙人围绕981钻井平台布放大量渔网和漂浮物，严重影响了航道安全。水下小目标移动缓慢，反射截面小，易与海洋生物混淆，极具隐蔽性。对水下小目标的探测和预警刻不容缓。目前探测小目标声呐工作频率大多在 80～100 kHz ，探测距离1 000 m左右[1-2]。文献[3]通过4瓣拼镶圆弧灌匹配层后拼成圆环的方案，实现了换能器 60～100 kHz水平无指向性[3]。工作频率 200 kHz的换能器能进一步提高探测精度，为了增强探测和预报效果，减小漏报，要求换能器水平指向性起伏较小，甚至无指向性，但高频大孔径换能器实现水平无指向性特别困难，指向性曲线容易出现锯齿状。本文采用压电颗粒拼镶圆环，颗粒外再加匹配层的方案，通过理论研究设计合理的压电颗粒数量，设计专用工装夹具保证颗粒拼镶正圆，实现发射换能器基阵水平无指向性，垂直指向性3°，发射电压响应达到171 dB，解决了水平指向性起伏大的难题，工程实现方便。

1 换能器设计[4]

发射换能器要求水平方向无指向性，球型结构和圆管形结构都能实现。但考虑到结构特点，发射换能器要安装在直径50 mm的金属承力杆上，球形结构无法装配；圆管结构使用200 kHz基频，半径太小无法安装；使用高阶模态振动太复杂，指向性无法满足，发射响应级也较低。拼镶圆环换能器，能实现水平−3 dB无指向性，但谐振频率一般为3～20 kHz，远低于200 kHz的工作频率。纵向振动压电颗粒密排成圆环，比完整圆管换能器振动模态单一，电声效率高，颗粒外边灌匹配层，能进一步改善水平指向性起伏过大状况，实现水平指向性 3 dB以内。

发射换能器核心部分为M层，每层N个矩形颗粒拼成的圆柱形“小阵”。假设扇面每层阵有N1个颗粒参加工作。为方便计算，N1为奇数时，让扇面阵第一层的中心阵元处在x轴上；当N1为偶数时，让扇面第一层所有阵元的中心处在x轴上。若忽略颗粒间互辐射阻抗的影响，则圆柱扇面的发射阵指向性函数可写成：

颗粒不是点源，具有指向性，指向性函数可根据实测结果拟合，q和p是曲线拟合系数，根据实际测量修正，由活塞组成的圆柱阵，第n号阵元的水平指向性函数：

第n列阵的垂直指向性函数：

2 仿真分析

200 kHz频率对应波长为0.75 mm，压电颗粒的孔径波长比为0.47，所以p取1.3，q取1.9，颗粒辐射面为正方形，由（4）式可得，单个颗粒的指向性如图1所示。

图1 颗粒水平指向性

图2 换能器水平指向性

由（1）式，仿真可知，换能器有效直径取92 mm时，每一圈41个颗粒和46个颗粒成阵的水平指向性如图2所示。经仿真分析，当颗粒数大于50时，水平指向性曲线为一个正圆。每个单元垂直排列 5层压电陶瓷颗粒，颗粒装在聚氨酯硬质泡沫内，如图3所示，垂直和水平指向性仿真结果如图4所示。

图3 单元结构示意图

图4 单元指向性图在二维平面的投影

3 方案实施及结果分析

按设计方案，换能器由四个单元垂直套在圆管上，正负极并联出线，外边用黑色聚氨酯橡胶整体密封而成，换能器直径100 mm，高155 mm，图5为换能器测量状态实物图。换能器研制时，保证阵元颗粒一致性是水平元指向性的关键，所用颗粒均由同一批次压电元件切割而成，由于样品换能器中阵元颗粒数量多达上千颗，所以偶尔有少量颗粒振幅不一致，对整个高频换能器没有明显影响。如果大量振元振幅一致性差，则会严重影响水平以及垂直指向性，必须避免这种情况出现。换能器加匹配层，形成共同辐射面，改善纵振颗粒振幅一致性，改善换能器水平指向性；匹配层阻抗介于压电材料和水之间，实现了换能器的阻抗匹配，使发射效率没有明显降低；同时，匹配层调整了纵振颗粒的固有频率，出现两个谐振，有效拓展带宽。