高頻水聲換能器匹配層技術研究

卞加聰，趙 慧，沈明杰

(上海船舶電子設備研究所，上海201108)

0 引 言

隨著聲吶系統中水聲信號處理技術的不斷發展以及海洋開發的日益深入，高頻聲吶越來越受到人們的重視[1]。根據工作要求，高頻聲吶常需要寬頻帶工作來獲取更多的目標信息和提高對目標的探測效果。高頻寬帶換能器是高頻聲吶信號產生和獲取的基礎，匹配層技術是拓展高頻換能器帶寬的有效手段[2-3]。2008年，陜西師范大學李珺等[4]通過理論和仿真計算了雙匹配層參數對換能器帶寬的影響；2013年，中國科學院聲學所童暉等[1]研制一款單匹配層寬帶換能器，帶內發送電壓響應起伏為-3 dB，并在2020年研制了一款寬帶圓柱陣，其工作頻帶為20～30 kHz，帶內發送電壓響應起伏為-3 dB[5]；2020年，上海材料研究所張浩等[6]通過三層匹配層和背襯的設計方案研制了中心頻率為 2.95 MHz，-6 dB相對帶寬約為83.2%的醫用相控陣換能器。雖然國內對單層和雙層匹配層水聲換能器的研究頗多，但對于三層匹配層水聲換能器的研究還甚少。

因此，本文通過聲波透射理論、Mason等效電路解析計算和有限元仿真對單層、雙層和三層匹配層換能器進行了理論研究，在此基礎上研制了三種高頻寬帶水聲換能器，滿足了水聲換能器寬頻帶下的工作需求。

1 寬帶換能器設計

寬帶換能器主要是由背襯、壓電陶瓷、匹配層和水密透聲層組成。為了實現壓電材料和水之間的阻抗過渡以滿足寬頻帶的工作需求，一方面可以對壓電陶瓷材料進行切割制作成復合材料，另一方面可以選擇單層或者多層匹配層對壓電材料進行匹配。本文將采用以上方式研制工作中心頻率為100 kHz左右的不同寬頻帶的高頻寬帶水聲換能器，換能器水中示意圖如圖1所示，圖中虛線框為換能器結構。

圖1 換能器水中示意圖Fig.1 Schematic diagram of the transducer in water

1.1 匹配層聲透射原理

匹配內聲波透視示意圖如圖2所示。最基本的三層材料匹配理論的物理基礎是聲波的反射和透射理論(平面波垂直入射的情況)，結合波動方程和邊界條件的方法得到匹配層的聲強透射系數[7]：

圖2 匹配層內聲波透射示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound wave transmission in matching layers

其中：μ代表一共有幾層媒質(包括壓電材料和水)，v代表第幾層媒質，Zv,μ代表的是μ層媒質中的第v層媒質的聲特性阻抗。

1.2 匹配層材料的選取和研制

本文均采用 PZT4壓電陶瓷制作中心頻率為100 kHz左右的高頻寬帶水聲換能器。為了使壓電陶瓷與水有較好的匹配，采用1-3型復合壓電陶瓷材料是一種常用的有效途徑。1-3型復合材料一方面減少了橫向振動，使縱向振動模式變得更加純凈；另一方面可獲得較低的聲阻抗、較寬的帶寬和低機械品質因素等性能。

本文將采用對 PZT材料切割填充環氧樹脂的方式來制作壓電復合材料，制作的壓電復合材料的聲特性阻抗為 17 Pa·s·m-1，負載為水，根據式(2)可以推導出單層、雙層、三層匹配層對應的聲特性阻抗值，根據理論計算并結合實際研制出了與理論較為接近的實際匹配層材料的參數，如表1所示。

1.3 多種匹配層換能器仿真設計

本文根據設計好的匹配層參數對單匹配層、雙匹配層、三匹配層高頻水聲換能器的水中聲強透射系數進行了有限元仿真分析。圖3是水中的換能器模型。

圖3 水中的換能器模型圖Fig.3 The model of the transducer in water

如圖4所示，通過有限元仿真對比分析發現，不同匹配層換能器水中聲強的半功率帶寬的大小關系為：三層匹配層＞兩層匹配層＞一層匹配層，滿足了不同頻帶的性能要求。

圖4 匹配層換能器水中聲強透射系數Fig.4 The energy transmission coefficient of the transducer with matching layers

1.4 多種匹配層換能器等效電路

由于壓電復合材料和水之間的阻抗失配比較明顯，為了滿足換能器不同寬頻帶的性能要求，常制作成單匹配層或者多匹配層換能器。所得到的匹配層壓電復合材料換能器的靜態特性如等效導納譜等，可采用等效電路計算。其中的Mason等效電路分析和計算，可采用復合壓電方程，導出考慮損耗的匹配層壓電復合材料振動Mason等效電路，由此計算的等效導納更接近實際情況[9-10]。

單層、雙層和三層匹配層換能器的振動Mason等效電路可由推導給出，如圖5所示。圖5中虛線框內為無源材料匹配層的等效電路，可根據所需要的匹配層的數量來增加或者減少匹配層。

圖5 多匹配層換能器等效電路Fig.5 Mason equivalent circuit of the transducer with multimatching layers

等效電路參數及其意義分別說明如下：

其中，C0、n、ρ、v、S、k、t分別為晶片的靜態電容、機電轉換系數、密度、聲速、橫截面積、波數和厚度，ρi、vi、Si、ki、ti分別為第i層匹配層的密度、聲速、橫截面積、波數和厚度，ρw、vw分別為水的密度、聲速。自由振動時，認為兩個力學端短路，可以計算換能器的導納特性。

2 多種匹配層換能器樣品研制與測試

根據換能器不同寬頻帶的實際需求并結合聲透射理論、Mason等效電路和有限元仿真設計研制了三種類型的高頻寬帶水聲換能器：單匹配層換能器、雙匹配層換能器和三匹配層換能器。

2.1 換能器電導譜

通過 Mason等效電路和有限元仿真對三種類型的高頻寬帶換能器進行了水中導納曲線的模擬計算、分析并與實測結果進行對比，結果如圖6所示。仿真與實驗結果存在著一定的差異，初步分析是匹配層的實際參數與仿真和等效電路模擬參數存在偏差所致。從圖6中可以發現，隨著匹配層數量的增加，其對應的電導響應工作頻帶也隨之增加，分別為 73～135 kHz，70～153 kHz和 63～158 kHz。

圖6 通過有限元仿真、等效電路分析和實驗測試得到的三種類型換能器電導譜Fig.6 Conductivity spectrum of three types of transducers obtained by finite element simulation, equivalent circuit analysis and experimental measurement

2.2 換能器的發送電壓響應

經有限元仿真和實際測試的三種寬帶換能器水中發送電壓響應曲線如圖7所示。單層、雙層和三層匹配層換能器的最大發送電壓響應分別為140.3、139和 136.7 dB，其工作頻帶分別為 79～150 kHz，74～163 kHz和 66～176kHz，帶內發送電壓響應起伏為-6 dB。經過計算，三種換能器的中心頻率分別為114、118和121 kHz，其-6 dB相對帶寬分別為62%、75%和91%。實驗表明：本文研制的三種類型換能器與傳統的中心頻率為320 kHz、-6 dB相對帶寬為41.2%的單匹配層換能器和中心頻率為 2.95 MHz、-6 dB相對帶寬為83.2%的帶有背襯的三層匹配層醫學超聲換能器相比，相對帶寬有了明顯的提高。

圖7 有限元仿真和實驗測試得到的三種類型換能器水中發送電壓響應Fig.7 Transmitting voltage responses of three types of transducers in water obtained by finite element simulation and experimental measurement

3 結 論

本文采用聲透射原理計算了換能器所需的匹配層參數并通過實驗研制了和理論較為接近的實際匹配層材料，在此基礎上進一步通過有限元仿真計算了三種類型換能器水中聲強透射系數；其次，通過Mason等效電路和有限元分析，計算了三種類型換能器水中電導譜，并與實際測試的結果進行對比分析；最后，在此基礎上研制了單層、雙層和三層匹配層換能器，從測試結果可知，其工作頻帶分別為 79～150 kHz，74～163 kHz 和 66～176 kHz，帶內發送電壓響應起伏為-6 dB。實驗表明，本文研制的三種類型換能器突破了傳統換能器帶寬窄的缺點。該工作為實現寬頻帶換能器在實際工作中的應用提供了方向。