對置式寬帶寬波束換能器

劉慧生,吳 彤,楊榮耀

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 海洋聲學(xué)技術(shù)實驗室，北京 100190；2.北京海洋聲學(xué)裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100190)

0 引言

寬波束換能器廣泛應(yīng)用于水下聲通訊、導(dǎo)航、聲學(xué)模擬器等領(lǐng)域[1-3]。常見的寬波束換能器有壓電球殼、壓電圓管和組陣、壓電復(fù)合成型的球冠、圓弧面等結(jié)構(gòu)形式[4-8]。單一的壓電球殼、圓管結(jié)構(gòu)聲發(fā)射響應(yīng)較低，組陣結(jié)構(gòu)的尺寸、質(zhì)量相對較大，而壓電復(fù)合材料和PVDF材料發(fā)射換能器工作頻率較高，常見的工作范圍從幾百千赫茲至幾兆赫茲，更高的工作頻率多用于醫(yī)療超聲領(lǐng)域。常規(guī)導(dǎo)航、通訊等水聲換能器優(yōu)選工作頻率一般小于30 kHz，兼顧作用距離和傳輸效率。寬帶發(fā)射換能器相比窄帶換能器具有傳輸信息量大和傳輸速率更快，信號保真性高、編碼豐富、抗干擾性、保密性好等優(yōu)點。寬波束發(fā)射換能器具有更大的聲場覆蓋范圍特性。小尺寸的寬帶寬波束換能器在聲通訊、目標(biāo)探測、聲對抗等方面有廣泛需求：如在水下AUV、UUV設(shè)備，以及水下網(wǎng)絡(luò)通訊組網(wǎng)方面。小型化、大功率、寬帶、寬波束等多聲學(xué)指標(biāo)換能器，因其各指標(biāo)參數(shù)的相互制約而成為研究的一個難點。常規(guī)復(fù)合棒換能器因結(jié)構(gòu)簡單，工作范圍覆蓋幾百赫茲到幾十千赫茲，寬帶實現(xiàn)方法多，易成陣等特點而被廣泛使用。復(fù)合棒換能器寬帶實現(xiàn)方式包括多模耦合，匹配層，分布激勵，相位變換，新材料，復(fù)合結(jié)構(gòu)等[9-10]。在寬波束方面，根據(jù)換能器尺寸和波長一般規(guī)律可知，復(fù)合棒換能器在相同工作頻率下，減小輻射頭尺寸可增大波束開角，但將導(dǎo)致帶寬減小,聲發(fā)射響應(yīng)降低[11]。一種小輻射頭縱彎耦合結(jié)構(gòu)換能器一定程度上兼顧了寬帶和寬波束要求，但在工作頻帶內(nèi)隨著工作頻率升高，波束開角呈減小趨勢[12]。單一復(fù)合棒換能器難以實現(xiàn)更大的波束開角。因此，在此寬帶、寬波束縱彎復(fù)合棒換能器研究基礎(chǔ)上，本文提出了一種對置式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)水平徑向360°寬波束的寬帶聲學(xué)性能，同時其兼具小尺寸、大功率的特點，以便應(yīng)用于小型AUV、UUV設(shè)備和水下組網(wǎng)通訊等方面。

1 換能器有限元建模

文獻[12]中,復(fù)合棒換能器基本尺寸：壓電陶瓷PZT-4尺寸為?30 mm×?9 mm×5 mm，共8片;碗形輻射頭厚7 mm，碗深10 mm，輻射面小端直徑?36 mm，碗口外直徑?62 mm，內(nèi)直徑?50 mm;后質(zhì)量塊外徑?46 mm，其中圓筒部分壁厚4 mm，高35 mm，后部高度15 mm，外殼外徑?62 mm，壁厚6 mm，高53 mm。

仿真中共涉及3個二維軸對稱有限元模型，分別為單個換能器模型，對置換能器模型和添加障板的對置換能器模型。圖1為二維的單個換能器模型和添加障板的對置換能器模型。圖中，硬鋁碗形輻射頭質(zhì)量較小，作為聲輻射的主要工作面。壓電陶瓷PZT-4為結(jié)構(gòu)振動的激勵單元。黃銅后質(zhì)量塊比前輻射頭質(zhì)量大，根據(jù)動量守恒原理，使前輻射頭方向獲得較大振速，增加聲輻射。不銹鋼外殼為換能器提供定位支撐，為實現(xiàn)大功率聲發(fā)射的空氣背襯結(jié)構(gòu)提供耐水壓結(jié)構(gòu)。金屬障板用于調(diào)節(jié)聲場輻射方向、相位等。水作為聲輻射傳遞的媒介。障板的半徑為r，厚為h，障板和輻射頭距離為d(無障板時為對置輻射頭間距離的1/2)。模型中忽略水密橡膠、電纜、支撐絕緣塊等。軸向所在的圓周面為方向性仿真面。

2 換能器聲性能仿真

采用有限元方法分別對3種結(jié)構(gòu)的換能器進行聲學(xué)性能仿真，主要包括發(fā)送電壓響應(yīng)(TVR)軸向平面10 kHz、14 kHz、19 kHz的方向性特性和對應(yīng)頻率時加障板對置結(jié)構(gòu)的聲壓級圖。

2.1 發(fā)送電壓響應(yīng)(TVR)

單個換能器模型仿真的發(fā)送電壓響應(yīng)如圖2所示。由圖可知，在13～19 kHz時，軸向的TVR大于138 dB；輻射頭平面所在的徑向方向，TVR約為135 dB。徑向TVR比軸向TVR約低3～6 dB。圖中曲線平坦，軸向-3 dB帶寬約7 kHz，徑向-3 dB帶寬約9 kHz。軸向和徑向仿真曲線都有2個諧振峰，徑向的2個峰值之間凹谷相對明顯，更易分辨，其中14 kHz附近為縱振動峰，19 kHz附近為輻射頭彎曲振動峰。TVR響應(yīng)曲線體現(xiàn)了該復(fù)合棒結(jié)構(gòu)利用縱彎原理實現(xiàn)帶寬拓展的思想。

對置無障板結(jié)構(gòu)選取參數(shù)d的2個較優(yōu)值4 mm和13 mm(d=2 mm，換能器對置距離為4 mm時，徑向TVR最大凹谷處值為104 dB，圖中未畫出。)，仿真TVR曲線如圖3所示。

圖3中兩虛線表示換能器對置距離的1/2。當(dāng)d=4 mm，頻率在13～19 kHz時，軸向響應(yīng)曲線比徑向響應(yīng)曲線高3 dB。當(dāng)d=13 mm時，響應(yīng)曲線如圖3中兩實線所示。在10 kHz以上，徑向TVR高于軸向TVR。同時對比2個d參數(shù)同方向的TVR發(fā)現(xiàn)，d=13 mm時軸向頻響曲線比d=4 mm時低，且?guī)?nèi)波動變大。對比二者的徑向TVR可見，d=4 mm比d=13 mm時的曲線帶寬更寬；在9～14.5 kHz，d=13 mm的TVR值低于d=4 mm時的TVR值，在14.5～22 kHz，d=13 mm的TVR值高于d=4 mm時的TVR值。采用對置結(jié)構(gòu)后，對置距離對軸向和徑向TVR值及帶內(nèi)起伏波動大小影響明顯，調(diào)節(jié)對置距離會出現(xiàn)徑向TVR值大于軸向TVR值。

圖4為對置換能器中間添加不銹鋼障板，優(yōu)選尺寸?100 mm×7 mm，選取d=4 mm,r=50 mm,h=7 mm時的仿真TVR。由圖可見，軸向和徑向兩個方向曲線都較平坦，在12～19 kHz，由于障板的作用，軸向TVR降低，使徑向TVR高于軸向TVR。同時，其軸向TVR與圖2、3的兩個結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果相比，帶寬增大，在高頻20～22 kHz頻響曲線未降低。兩個對置結(jié)構(gòu)中有個顯著的共同點，即在20～21 kHz內(nèi)徑向響應(yīng)曲線有個較大的凹谷，降低約20 dB。相比無障板對置結(jié)構(gòu)，添加障板對置結(jié)構(gòu)對TVR曲線的帶內(nèi)波動有更好的調(diào)節(jié)作用，有利于帶寬的拓展。

2.2 方向性特性

圖5～7為3個結(jié)構(gòu)換能器在3個頻點(10 kHz、14 kHz、18 kHz)的指向性曲線(方向性平面如前所述)，其中對置時的參數(shù)d=4 mm，障板尺寸同前。

由圖5可知，10 kHz時單個換能器有較強的指向性，而對置結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為無指向性。加障板對置結(jié)構(gòu)的指向性圖相比無障板對置結(jié)構(gòu)更接近于圓形。

由圖6可看出，頻率升高到14 kHz后，單指向性結(jié)構(gòu)的波束開角相比其10 kHz時減小。兩種對置結(jié)構(gòu)的指向性形狀為四瓣結(jié)構(gòu)，無障板結(jié)構(gòu)圓周向稍小，而有障板結(jié)構(gòu)四瓣更對稱。從0°方向看，無障板結(jié)構(gòu)開角約72°，而有障板結(jié)構(gòu)周向開角為60°。障板結(jié)構(gòu)的增加使徑向波束開角明顯減小，即采用障板后可獲得良好的徑向TVR曲線帶寬，但波束開角減小。

由圖7可看出，單指向性換能器前后端幅值基本接近，而前端波束開角對照低頻明顯減小。無障板對置結(jié)構(gòu)徑向-3 dB開角約為88°，有障板對置結(jié)構(gòu)徑向-3 dB開角約為80°，±30°指向性曲線變化在-1 dB內(nèi)，開角隨頻率增大而并未減小。

對置有障板結(jié)構(gòu)換能器模型10 kHz、14 kHz、18 kHz聲壓級仿真結(jié)果如圖8～10所示。其中白色圓弧內(nèi)為建模模型內(nèi)聲壓級，白圓弧外為遠場聲壓級。

相比圖5～7中關(guān)于對置有障板結(jié)構(gòu)指向性圖方式，圖8～10聲壓級云圖方式更直觀地體現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)空間波束分布情況。

3 結(jié)束語

由以上仿真結(jié)果可得，采用兩個同結(jié)構(gòu)換能器對置方式，在工作帶寬內(nèi)可實現(xiàn)水平徑向波束的360°全覆蓋。與無障板結(jié)構(gòu)相比，有障板的結(jié)構(gòu)波束開角減小，在14 kHz約小12°，18 kHz約小8°。但由于無障板可調(diào)節(jié)參數(shù)只有距離d，當(dāng)d=4 mm時，其軸向TVR曲線比徑向高；而增加障板可增加更多調(diào)節(jié)參數(shù)，如障板半徑、厚度，甚至材料、形狀等。當(dāng)d=4 mm時，障板降低了軸向TVR曲線值，同時使其軸向帶寬得到擴展。

本文提出了一種對置結(jié)構(gòu)換能器，對其TVR和指向性進行有限元優(yōu)化仿真，在11～19 kHz，有障板結(jié)構(gòu)徑向TVR大于軸向TVR，并利用徑向聲場的對稱性，實現(xiàn)了徑向波束的360°全覆蓋。換能器具有寬帶寬、寬波束、較大功率、小體積、小質(zhì)量的特點，可應(yīng)用于水下通信及避障，水聲對抗等方面。該寬帶寬、寬波束解決方案，提供了一種安裝于小型AUV和UUV設(shè)備上，且對體積和質(zhì)量有要求的新思路。