二階鑲拼圓管矢量接收換能器研究

程振閱，趙榮榮，馬雄超，于祥龍

(上海船舶電子設備研究所，上海201108)

0 引 言

矢量水聽器可以同步、共點地獲取聲場中的標量和矢量信息，為后續的信號處理拓展了空間，也為水聲探測技術提供了新的思路和方法[1]。壓差式矢量水聽器是矢量水聽器中最常見的一種類型，其原理是通過獲取聲場中某兩點之間的聲壓差值和距離差值，然后根據有限差分近似的方法計算得出兩點聲中心連線中心點處的聲壓梯度，進而得到聲場的矢量信息[2-3]。

矢量水聽器的余弦指向性波束寬度較大，為了解決在同一個波束中的目標分辨問題，人們提出可以獲得高指向性的二階矢量水聽器[4]。通過對徑向極化圓管的電極進行分割可以得到二階矢量水聽器，然而其二階模態下的靈敏度不高，在實際應用時受到限制。鑲拼圓管采用切向極化的壓電陶瓷條粘接而成，與徑向極化的圓管相比，具有更高的壓電轉換效率，因而在用于水聲信號的接收時其靈敏度也將得到提高[5-6]。

本文將切向極化的鑲拼圓管用作接收換能器，通過對其電極的劃分以及壓電陶瓷條極化方向的調整，設計得到了一種高靈敏度的二階矢量接收換能器。

1 二階鑲拼圓管矢量接收換能器設計

二階鑲拼圓管矢量接收換能器的結構示意圖如圖1所示，鑲拼圓管采用32片壓電陶瓷條粘接而成，圓管共包括8路開路輸出電壓信號和1路接地參考電壓信號，接地輸出信號為8個接地電極的并聯輸出，接地電極將圓管劃分為8部分，每一部分中的四片壓電陶瓷條的極化方向以開路輸出信號電極為對稱軸對稱分布，位于開路輸出信號電極與接地電極之間的壓電陶瓷條的極化方向相同。8路開路輸出電壓信號組合得到矢量接收換能器的一階以及二階矢量分量通道，其中，電極A1與電極A2經過減法器相減后得到鑲拼圓管矢量接收換能器x方向一階矢量分量；電極B1與電極B2經過減法器相減后得到鑲拼圓管矢量接收換能器y方向一階矢量分量；電極C1和電極C3、電極C2和電極C4兩兩并聯后經過減法器相減輸出得到鑲拼圓管矢量接收換能器二階矢量分量。

圖1 鑲拼圓管結構示意圖Fig.1 Structure diagram of a segmented ring

2 理論分析及仿真

本文設計的二階鑲拼圓管矢量接收換能器包含兩個一階分量以及一個二階分量，指向性以及靈敏度是衡量換能器接收特性的重要指標，下面對設計的接收換能器的指向性進行理論分析，并且對其靈敏度進行有限元計算仿真。

2.1 指向性理論分析

在諧和平面波中，若只研究xOy平面，聲壓可以表示為

矢量接收換能器的兩個一階分量分別對應以上兩個一階偏導(式2(a)、2(b))，二階分量對應二階混合偏導(式2(c))。

一階分量對應的x方向的偶極子指向性如圖2(a)所示，一階分量對應的y方向的偶極子指向性如圖2(b)所示，從圖中可以看出，偶極子指向性圖-3 dB波束寬度為90°。二階分量對應的四極子指向性如圖2(c)所示，其-3 dB波束寬度為45°，二階分量指向性圖的-3 dB 波束寬度明顯比一階分量指向性圖更為銳化。

圖2 矢量接收換能器的理論指向性Fig.2 Theoretical directivity patterns of the vector receiving transducer

2.2 有限元計算仿真

本文采用有限元軟件對劃分電極后的鑲拼圓管矢量接收換能器進行整體結構建模仿真分析。在仿真計算中涉及到的壓電陶瓷材料選用 PZT-4；對相同尺寸的徑向極化圓管以及切向極化鑲拼圓管在13～19 kHz頻率范圍的靈敏度進行仿真計算。

切向極化鑲拼圓管以及徑向極化圓管的一階及二階矢量靈敏度如圖3所示。從仿真結果可以看出，在仿真的頻率范圍內，切向極化圓管一階類偶極子靈敏度在-173 dB左右，二階類四極子靈敏度在-188 dB左右，二階量比一階量低15 dB；徑向極化圓管一階類偶極子靈敏度在-185 dB左右，二階類四極子靈敏度在-200 dB左右，二階量比一階量低 15 dB。對比仿真結果可知，切向極化圓管與同樣尺寸的徑向極化圓管相比，一階及二階矢量靈敏度均提高12 dB左右。

圖3 靈敏度仿真曲線Fig.3 The simulated sensitivity curves

3 實驗測試

按照仿真時的參數設計鑲拼圓管，并進行聚氨酯水密封裝處理，得到的二階鑲拼圓管矢量接收換能器如圖4所示。

圖4 換能器實物圖Fig.4 The picture of the developed transducers

在消聲水池中利用比較法得到鑲拼圓管矢量接收換能器x方向與y方向的一階分量以及二階分量的自由場聲壓靈敏度曲線，如圖5所示。從圖5可以看出實驗測試結果與仿真結果基本吻合。

圖5 矢量接收換能器靈敏度仿真與測量曲線Fig.5 The simulated and measured sensitivity curves of the vector receiving transducer

對二階鑲拼圓管矢量接收換能器在13、16 kHz以及19 kHz指向性進行測試，其中16 kHz的一階矢量x方向分量、一階矢量y方向分量以及二階矢量的指向性圖如圖6所示，與理論分析的指向性吻合較好。

圖6 矢量接收換能器實測指向性圖Fig.6 The measured directivity patterns of vector receiving transducer

二階鑲拼圓管矢量接收換能器各個矢量通道在13、16 kHz以及19 kHz指向性圖-3 dB波束寬度的測試數據如表1所示。

表1 矢量接收換能器在不同方向和不同頻率的-3 dB波束寬度Table 1 The -3 dB beam-widths of the vector receiving transducer in different directions and at different frequencies

從表1中看出，在測試頻率范圍內，一階矢量類偶極子指向性-3 dB 波束寬度在95°左右，二階矢量指向性圖-3 dB波束寬度在40°左右，二階矢量指向性圖波束寬度明顯比一階矢量指向性圖波束寬度更加銳化。鑲拼圓管矢量接收換能器類偶極子指向性和類四極子指向性-3 dB波束寬度的實際測試結果與指向性理論分析時的結果存在一定的誤差，這是由于理論分析時將接收換能器視為點接收器，沒有考慮到鑲拼圓管實際尺寸和結構的影響。

4 結 論

本文通過對鑲拼圓管中電極的劃分以及壓電陶瓷條極化方向分布的調整，設計得到一種二階矢量接收換能器。對其指向性進行理論分析，并對其靈敏度進行仿真，最后制作換能器樣機進行測試，得到的實際測試結果與仿真結果基本一致。

根據仿真以及實驗測試的數據，設計的二階鑲拼圓管矢量接收換能器一階矢量靈敏度在-173 dB左右，二階矢量靈敏度約-188 dB，其一階矢量與二階矢量靈敏度與徑向極化圓管相比均得到提高；鑲拼圓管矢量接收換能器二階矢量指向性圖波束寬度明顯比一階矢量指向性圖波束寬度更加銳化。

本文通過仿真及實驗測試證明了鑲拼圓管用于矢量接收的可行性。鑲拼圓管矢量接收換能器與徑向極化分割電極的矢量接收換能器相比，靈敏度得到了提高，電極劃分更靈活，可以滿足更加廣泛的工程應用需求。