高頻球面寬波束水聲換能器研究

唐 平，鮮曉軍,劉振華,汪紅兵，劉良芳

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

隨著蛙人載具、水下無人潛水器等小型水下裝備的發展，艦艇及港口面臨小型目標的威脅日益嚴峻。在各種敵情目標搜尋和安全應用中，很大程度上依賴于聲吶系統的最大覆蓋角。現有的平面狀高頻換能器由于波束角通常較窄，很難滿足聲吶大覆蓋角的要求。為滿足新的軍事應用急需，高頻寬波束換能器逐漸成了水聲換能器的研究熱點。空間二維高頻寬波束換能器通常需要將換能器的敏感元件設計成球面狀，運用壓電敏感元件的厚度振動實現聲波輻射[1-3]。若敏感元件采用純壓電陶瓷，由于存在明顯的耦合振動，導致聲波的輻射能力降低，同時指向性起伏較大[4-7]。為滿足新的應用需求，本文通過切割填充彎曲成型法，成功制作出了球面狀1-3型壓電復合材料，并采用球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料研制高頻寬波束高性能水聲換能器。

1 球面狀1-3型壓電復合材料壓電基元振動特性分析

球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料由沿球面圓周方向連通的壓電陶瓷相聚合物相組成。壓電復合材料中的陶瓷基元和聚合物沿球面方向成周期性性分布，電極位于球面的內外表面，陶瓷細柱的極化方向沿徑向方向(見圖1)，同時設v1為1-3型壓電復合材料中陶瓷相的體積分數。

圖1 1-3型壓電復合材料結構圖

采用應變和電位移為獨立變量，其d型壓電方程為

(1)

式中:S,T為應變和應力張量;D,E為電位移和電場強度;εT，sE，d分別為恒應力下的介電強度、恒電場下的彈性柔順常數及壓電常數。

圖2 厚度振動機電等效電路圖

當晶片做自由振動時，F1=F2=0，其等效電阻抗為

(2)

式中：k33為厚度振動機電耦合系數;ω為圓頻率。

晶片諧振時，Z=0，則有

(3)

2 球面狀1-3型壓電復合材料振動輻射聲場分析

設壓電基元沿球面方向均勻分布并做等幅振動，球面狀壓電換能器聲輻射示意圖如圖3所示。 圖中，a為球面半徑，r為距離球心處徑向方向的距離,d為球冠外沿直徑，θ為球冠的半開角。。

圖3 球面狀壓電換能器聲輻射示意圖

球面狀壓電復合材料基元振動特性為

(4)

聲場分布的指向性函數D(θ)為

(5)

3 高頻寬波束水聲換能器的設計與試驗制作

根據理論設計與工程應用需要，需設計出工作頻率300 kHz、水平及垂直波束開角80°的高頻發射換能器。根據理論設計，壓電陶瓷選用厚5 mm的 PZT-41型材料。通過切割、填充及彎曲成型工藝制作出球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料，制作工藝路線如圖4所示。通過該工藝制作出的球面狀壓電復合材料樣品如圖5所示。

圖4 球面狀1-3型壓電復合材料切割填充彎曲成型工藝示意圖

圖5 球面狀1-3型壓電復合陶瓷材料實物圖

按照理論和仿真分析結果，試驗制作了球面狀高頻寬波束換能器，圖6為換能器結構。圖7為換能器樣品實物。

圖6 球面狀壓電復合材料的高頻換能器結構示意圖

圖7 球面狀壓電復合材料的高頻換能器實物圖

對制作的樣品進行了聲性能測試，其阻抗特性、發射響應及指向性測試曲線如圖8～11所示。球面狀高頻水聲換能器在200～400 kHz頻帶內，模態單一，最大發射電壓響應達160 dB，-3 dB帶寬約為50 kHz，水平和垂直方向的波束開角約80°,具有高頻工作時模態單一，可實現寬波束輻射等特點。另一方面，指向性起伏較大，后期可通過優化制作工藝和基元幾何尺寸等方法減小指向性起伏。

圖8 球面狀壓電復合材料高頻寬波束換能器導納測試曲線

圖9 球面狀壓電復合材料高頻寬波束換能器發射電壓測試曲線

圖10 球面狀壓電復合材料高頻寬波束換能器水平方向指向性測試曲線

圖11 球面狀壓電復合材料高頻寬波束換能器垂直方向指向性測試曲線

4 結束語

本文實驗分析了球面狀高頻寬波束水聲換能器的聲學特性，成功制作出了滿足設計要求的換能器樣品，試驗結果和理論結果吻合較好。實驗結果表明，該型換能器高頻工作時，水平和垂直方向-3 dB波束開角約80°，最大發射響應160 dB，具有高頻工作時，模態單一，寬帶及寬波束輻射等特點。該型水聲能器應用于水下聲探測與三維成像聲吶系統時，可有效增大其最大覆蓋角，提高聲吶系統的整體性能。