錐形結構超聲陣列換能器研究

朱時雨，王月兵，趙成功，李世平(. 中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州 3008；. 北京電子工程總體研究所，北京 00854)

0 引言

水聲學主要研究聲波在水中的發(fā)射、傳播和接收，而聲波的發(fā)射和接收都依賴于換能器，因此換能器的發(fā)展對水聲學影響較大。水聲換能器是在水介質(zhì)中實現(xiàn)聲與其他形式能量或信息轉換的一類傳感器，它是各類聲吶系統(tǒng)最前端的設備，也是聲吶系統(tǒng)與水介質(zhì)相互作用、信息交流的關鍵[1-3]。

隨著水下航行器快速發(fā)展，航行速度也越來越快，傳統(tǒng)的換能器結構已難以適應水下高速運動[4-5]。本文在傳統(tǒng)壓電換能器陣列結構的基礎上，將外形結構改為錐形設計，使換能器整體適用于水下高速航行器。本文介紹了換能器的基本結構與工作原理，使用有限元法仿真分析了陣元及陣列的振動模態(tài)及換能器在水中的聲場分布。根據(jù)仿真結果與1-3型壓電復合材料[6-7]的制作方式，設計陣列排布，制作了換能器的試驗樣機，通過實驗測試并驗證了其工作特性。

1 換能器設計

結合換能器的發(fā)展情況，針對水下航行器高速運動的需求，在此換能器的研制中，本文提出了一種錐形設計構想，其中換能器的圓錐形頭部可有效地減少其在水中的阻力，以適應水下航行器的高速運動[8-10]。

1.1 換能器外殼

圖1為換能器結構示意圖。換能器頭部呈30°的圓錐形設計，頭部底面開一凹槽用于安裝陣列。聚四氟乙烯具有較高強度，能在水流沖擊下保持形態(tài)，其較低的摩擦系數(shù)有利于減小流阻，同時其特性阻抗與水相差不大，有利于聲波透射。因此，在兼顧結構強度和聲匹配的情況下，選用聚四氟乙烯制作換能器頭部。

圖1 換能器結構示意圖

采用不銹鋼材料制作換能器底座，不銹鋼材料強度高，耐腐蝕性強，可設計不同樣式的底座，使換能器裝配在各種使用環(huán)境中。設計中選用PZT-4型壓電陶瓷作為換能器陣元(2×4式陣列排布)，在陣列底部有一層硬質(zhì)泡沫作為吸聲層，用以隔離運動平臺輻射噪聲的影響，使換能器系統(tǒng)具有安靜的工作環(huán)境。

1.2 換能器陣元設計

陣元及陣列設計思路：

1) 陣元的長和寬(截面積)控制換能器的指向性。

2) 陣元的厚度(極化方向高度)決定換能器的特征頻率，厚度與諧振頻率成反比。

3) 結合使用頻率及各項要求，確定合適的陣元尺寸。

選用PZT-4壓電陶瓷(中功率發(fā)射的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)為換能器陣元，使其在頻率100 kHz的脈沖激勵下工作。對陣元的振動模態(tài)進行COMSOL有限元仿真，如圖2所示。分別建立了不同尺寸的4個陣元模型并置于空氣環(huán)境中，通過對單個陣元的振動模態(tài)進行仿真分析，在極化方向高度均為15.5 mm時，截面積分別為3 mm×3 mm、4.5 mm×4.5 mm及6 mm×6 mm，對應的特征頻率變化很小。因此，截面積對其特征頻率的影響很小。當截面積為6 mm×6 mm，極化方向高度改變時，特征頻率變化明顯，高度增加1.5 mm，特征頻率減小了11 kHz。由此可知，陣元的特征頻率主要受陣元極化方向高度的影響。極化方向高度約為15.5 mm時，陣元的特征頻率接近100 kHz。為了充分利用壓電陶瓷元件的縱向振模，需對元件電極按仿真結果進行切割。

圖2 陣元振動模態(tài)仿真

1.3 陣列設計

由于后續(xù)在發(fā)射陣周圍還需增加接收陣的排布，換能器內(nèi)部空間有限。因此，陣列設計未采用半波長的設計思路。

陣元間常用的粘接劑有環(huán)氧樹脂與聚氨酯等，兩者粘接陣元效果較好，由于環(huán)氧樹脂固化后的強度遠高于聚氨酯，會使粘接后陣列的振動模態(tài)為整體振動，陣元之間有較大影響。因此，采用彈性模量較小的聚氨酯作為此陣列的粘接劑。

對陣列的3×3式排布和2×4式排布分別進行仿真分析，得到結果如圖3所示。由圖可知，2×4式排布陣列效果較理想，8個陣元的振幅相同，故采用2×4式排布方式。對采用2×4式排布，分別使用環(huán)氧樹脂和聚氨酯粘接的陣列進行各陣元發(fā)射電壓響應測試，結果如圖4所示。由圖可知，采用環(huán)氧樹脂粘接陣列的陣元一致性較差，且其陣列中各陣元發(fā)射電壓響應比聚氨酯粘接陣列中各陣元的發(fā)射電壓響應小1～2 dB，這是由于用環(huán)氧樹脂粘接時，單個陣元的振動需帶動陣列整體進行振動，使發(fā)射電壓響應略偏小。

圖3 陣列仿真結果

圖4 陣元發(fā)射電壓響應測試

使用TH2826型阻抗分析儀對此排布方式粘接后的陣列諧振頻率進行測試，阻抗分析儀測得陣列諧振頻率為96.8 kHz，與仿真結果(97.6 kHz)相近。

陣列設計思路與1-3型復合材料相似，通過將整塊壓電材料切割成壓電小柱以抑制橫向模態(tài)，從而實現(xiàn)純凈的厚度振動模態(tài)，提高其有效機電耦合系數(shù)。本文通過改進1-3 型壓電復合材料，將陣元間填充的聚合物從傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂改為聚氨酯，有效降低了陣元間的振動耦合，提高了陣元一致性。

1.4 換能器整體仿真

為了研究換能器使用時發(fā)射聲波的聲場情況，首先利用COMSOL建立有限元仿真模型，采用壓力聲學模塊、固體力學模塊和靜電模塊進行求解，建立了整體模型(見圖5)對換能器聲場進行仿真分析。通過仿真得到錐形結構換能器的指向性，并將其與常見的半球形頭部結構換能器的指向性進行對比分析。

圖5 仿真模型圖

圖6 仿真聲場分布圖

如圖6所示，換能器內(nèi)陣元發(fā)出的聲波經(jīng)過聚四氟乙烯頭部后，入射到水域中，在換能器尖端處，xOz切面(陣列的2陣元方向)聲場中最大輻射方向有一清晰主瓣，在換能器尖端位置，其主瓣幅值大于-3 dB，寬度約為25°，如圖6(c)所示。yOz切面(陣列的4陣元方向)聲場中有一寬度約為20°的主瓣，兩側分布部分旁瓣，如圖6(d)所示。半球形頭部的xOz切面主瓣寬度約為32°，如圖6(e)所示。yOz切面主瓣寬度約為25°，如圖6(f)所示。仿真結果顯示，錐形結構的換能器指向性寬度比半球形結構換能器指向性寬度小5°～7°。

2 換能器制作與測試

2.1 換能器制作

根據(jù)圖6仿真結果進行換能器的整體裝配與制作。換能器外殼加工時主要是錐尖部位加工難度較大，需要盡可能保證錐尖的尖銳度。頭部和底座分別采用聚四氟乙烯與不銹鋼材料進行加工，其表面需加工至光滑以保證換能器的低阻力。陣列制作時陣元之間采用聚氨酯粘接，陣元負極用導電膠連通后用導線引出，正極各陣元分別用導線引出。整體裝配則根據(jù)螺孔位置用螺栓連接，走線后對換能器整體進行水密處理。圖7為換能器樣機圖。

圖7 換能器樣機圖

2.2 換能器性能測試

為了進一步驗證此設計方案的可行性和仿真模型的可靠性，搭建的實驗測試環(huán)境圖如圖8、9所示。

圖8 測試環(huán)境示意圖

圖9 測試環(huán)境俯視圖

實驗在消聲水池中進行，使用夾具夾持換能器置于水下500 mm處，在距離換能器陣元1 500 mm處放置一個標準水聽器，滿足遠場條件換能器尖端與水聽器中心在同一水平面上，測試其聲學性能。

設置信號源輸出電壓為500 mV，發(fā)射20個周期的正弦脈沖波作為換能器的激勵信號，設置換能器尖端指向水聽器時為90°位置。采用LABVIEW軟件制作測試程序，控制運動機構使換能器從0°位置旋轉至180°位置，每隔0.5°采集水聽器接收信號，測試換能器指向性，如圖10所示。

圖10 指向性測試圖

由圖10可知，換能器在尖端朝向水聽器時，水聽器接收到的信號幅值最大，主瓣清晰。如圖10(a)所示，換能器xOz方向大于-3 dB的主瓣寬度約22°。如圖10(b)所示，yOz方向主瓣寬度約12°，比仿真結果的指向性寬度略小。與半球形結構的測試結果相比，錐形結構會使換能器指向性小5°～10°。

為了得到換能器的發(fā)射性能，進行了發(fā)射電壓響應測試。在相同實驗環(huán)境下，設置換能器頭部尖端正對水聽器中心，8個陣元同時加上激勵電壓，測試換能器輸入電壓與水聽器接收電壓，計算得到發(fā)射電壓響應。在頻率為96 kHz處發(fā)射電壓響應有最大值(133 dB)，比仿真的理論結果小1.1 dB，比半球形結構換能器小1.3 dB。圖11為換能器樣機發(fā)射電壓響應測試曲線。由圖可看出，實測與仿真發(fā)射電壓響應趨勢一致，結果不完全相同，這是由于仿真時均采用理想狀態(tài)條件，忽略了現(xiàn)實因素。

圖11 換能器樣機發(fā)射電壓響應測試曲線

3 結論

1) 本文在壓電式陣列換能器設計基礎上，結合使其適應水下高速航行器運動的設計思路，將傳統(tǒng)換能器的平面或球面結構改為錐形結構，并研究了此結構的實際可行性。

2) 通過建立換能器在水下工作時的物理模型，研究其工作機理。應用有限元仿真軟件計算并分析了換能器工作時的聲場分布，得到其指向性數(shù)據(jù)。根據(jù)仿真結果制作換能器樣機，并搭建實驗測試系統(tǒng)。實驗測試表明，實驗結果與仿真結果具有較好的一致性。

3) 根據(jù)理論和實驗表明，此換能器的構造設計具有實際可行性。研究證明，聲波在透過錐形頭部后指向性變小。通過測試發(fā)射電壓響應可知，在諧振頻率處有最大值(133 dB)，比半球形結構換能器小1.3 dB，這是由于錐形結構的z向長度比半球形結構長，產(chǎn)生了發(fā)射響應損失。總體來看，錐形結構換能器指向性寬度合適，既保證了較好的探測范圍，又能減少干擾，透過錐形頭部后的聲強可以滿足使用需求。