劉慧生,吳 彤,楊榮耀

(1.中國科學院聲學研究所 海洋聲學技術實驗室，北京 100190；2.北京海洋聲學裝備工程技術研究中心，北京 100190)

0 引言

寬波束換能器廣泛應用于水下聲通訊、導航、聲學模擬器等領域[1-3]。常見的寬波束換能器有壓電球殼、壓電圓管和組陣、壓電復合成型的球冠、圓弧面等結構形式[4-8]。單一的壓電球殼、圓管結構聲發(fā)射響應較低，組陣結構的尺寸、質(zhì)量相對較大，而壓電復合材料和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)療超聲領域。常規(guī)導航、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、目標探測、聲對抗等方面有廣泛需求：如在水下AUV、UUV設備，以及水下網(wǎng)絡通訊組網(wǎng)方面。小型化、大功率、寬帶、寬波束等多聲學指標換能器，因其各指標參數(shù)的相互制約而成為研究的一個難點。常規(guī)復合棒換能器因結構簡單，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，復合結構等[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，但將導致帶寬減小,聲發(fā)射響應降低[11]。一種小輻射頭縱彎耦合結構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、寬波束縱彎復合棒換能器研究基礎上，本文提出了一種對置式結構來實現(xiàn)水平徑向360°寬波束的寬帶聲學性能，同時其兼具小尺寸、大功率的特點，以便應用于小型AUV、UUV設備和水下組網(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為結構振動的激勵單元。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)射的空氣背襯結構提供耐水壓結構。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種結構的換能器進行聲學性能仿真，主要包括發(fā)送電壓響應(TVR)軸向平面10 kHz、14 kHz、19 kHz的方向性特性和對應頻率時加障板對置結構的聲壓級圖。

2.1 發(fā)送電壓響應(TVR)

單個換能器模型仿真的發(fā)送電壓響應如圖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響應曲線體現(xiàn)了該復合棒結構利用縱彎原理實現(xiàn)帶寬拓展的思想。

對置無障板結構選取參數(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d=4 mm，頻率在13～19 kHz時，軸向響應曲線比徑向響應曲線高3 dB。當d=13 mm時，響應曲線如圖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。采用對置結構后，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的兩個結構仿真結果相比，帶寬增大，在高頻20～22 kHz頻響曲線未降低。兩個對置結構中有個顯著的共同點，即在20～21 kHz內(nèi)徑向響應曲線有個較大的凹谷，降低約20 dB。相比無障板對置結構，添加障板對置結構對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個結構換能器在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，而對置結構表現(xiàn)為無指向性。加障板對置結構的指向性圖相比無障板對置結構更接近于圓形。

由圖6可看出，頻率升高到14 kHz后，單指向性結構的波束開角相比其10 kHz時減小。兩種對置結構的指向性形狀為四瓣結構，無障板結構圓周向稍小，而有障板結構四瓣更對稱。從0°方向看，無障板結構開角約72°，而有障板結構周向開角為60°。障板結構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。無障板對置結構徑向-3 dB開角約為88°，有障板對置結構徑向-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。

對置有障板結構換能器模型10 kHz、14 kHz、18 kHz聲壓級仿真結果如圖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中關于對置有障板結構指向性圖方式，圖8～10聲壓級云圖方式更直觀地體現(xiàn)了該結構空間波束分布情況。

3 結束語

由以上仿真結果可得，采用兩個同結構換能器對置方式，在工作帶寬內(nèi)可實現(xiàn)水平徑向波束的360°全覆蓋。與無障板結構相比，有障板的結構波束開角減小，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構換能器，對其TVR和指向性進行有限元優(yōu)化仿真，在11～19 kHz，有障板結構徑向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設備上，且對體積和質(zhì)量有要求的新思路。