錐形結(jié)構(gòu)超聲陣列換能器研究

朱時(shí)雨，王月兵，趙成功，李世平(. 中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)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(xué)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(lài)于換能器，因此換能器的發(fā)展對(duì)水聲學(xué)影響較大。水聲換能器是在水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)聲與其他形式能量或信息轉(zhuǎn)換的一類(lèi)傳感器，它是各類(lèi)聲吶系統(tǒng)最前端的設(shè)備，也是聲吶系統(tǒng)與水介質(zhì)相互作用、信息交流的關(guān)鍵[1-3]。

隨著水下航行器快速發(fā)展，航行速度也越來(lái)越快，傳統(tǒng)的換能器結(jié)構(gòu)已難以適應(yīng)水下高速運(yùn)動(dòng)[4-5]。本文在傳統(tǒng)壓電換能器陣列結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將外形結(jié)構(gòu)改為錐形設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)與工作原理，使用有限元法仿真分析了陣元及陣列的振動(dòng)模態(tài)及換能器在水中的聲場(chǎng)分布。根據(jù)仿真結(jié)果與1-3型壓電復(fù)合材料[6-7]的制作方式，設(shè)計(jì)陣列排布，制作了換能器的試驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試并驗(yàn)證了其工作特性。

1 換能器設(shè)計(jì)

結(jié)合換能器的發(fā)展情況，針對(duì)水下航行器高速運(yùn)動(dòng)的需求，在此換能器的研制中，本文提出了一種錐形設(shè)計(jì)構(gòu)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(yīng)水下航行器的高速運(yùn)動(dòng)[8-10]。

1.1 換能器外殼

圖1為換能器結(jié)構(gòu)示意圖。換能器頭部呈30°的圓錐形設(shè)計(jì)，頭部底面開(kāi)一凹槽用于安裝陣列。聚四氟乙烯具有較高強(qiáng)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(shí)其特性阻抗與水相差不大，有利于聲波透射。因此，在兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jié)構(gòu)示意圖

采用不銹鋼材料制作換能器底座，不銹鋼材料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，可設(shè)計(jì)不同樣式的底座，使換能器裝配在各種使用環(huán)境中。設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(shè)計(jì)

陣元及陣列設(shè)計(jì)思路：

1) 陣元的長(zhǎng)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(jié)合使用頻率及各項(xiàng)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(lì)下工作。對(duì)陣元的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行COMSOL有限元仿真，如圖2所示。分別建立了不同尺寸的4個(gè)陣元模型并置于空氣環(huán)境中，通過(guò)對(duì)單個(gè)陣元的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行仿真分析，在極化方向高度均為15.5 mm時(shí)，截面積分別為3 mm×3 mm、4.5 mm×4.5 mm及6 mm×6 mm，對(duì)應(yīng)的特征頻率變化很小。因此，截面積對(duì)其特征頻率的影響很小。當(dāng)截面積為6 mm×6 mm，極化方向高度改變時(shí)，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(shí)，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(duì)元件電極按仿真結(jié)果進(jìn)行切割。

圖2 陣元振動(dòng)模態(tài)仿真

1.3 陣列設(shè)計(jì)

由于后續(xù)在發(fā)射陣周?chē)€需增加接收陣的排布，換能器內(nèi)部空間有限。因此，陣列設(shè)計(jì)未采用半波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)思路。

陣元間常用的粘接劑有環(huán)氧樹(shù)脂與聚氨酯等，兩者粘接陣元效果較好，由于環(huán)氧樹(shù)脂固化后的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于聚氨酯，會(huì)使粘接后陣列的振動(dòng)模態(tài)為整體振動(dòng)，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(duì)陣列的3×3式排布和2×4式排布分別進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)果如圖3所示。由圖可知，2×4式排布陣列效果較理想，8個(gè)陣元的振幅相同，故采用2×4式排布方式。對(duì)采用2×4式排布，分別使用環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯粘接的陣列進(jìn)行各陣元發(fā)射電壓響應(yīng)測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，采用環(huán)氧樹(shù)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(yīng)比聚氨酯粘接陣列中各陣元的發(fā)射電壓響應(yīng)小1～2 dB，這是由于用環(huán)氧樹(shù)脂粘接時(shí)，單個(gè)陣元的振動(dòng)需帶動(dòng)陣列整體進(jìn)行振動(dòng)，使發(fā)射電壓響應(yīng)略偏小。

圖3 陣列仿真結(jié)果

圖4 陣元發(fā)射電壓響應(yīng)測(cè)試

使用TH2826型阻抗分析儀對(duì)此排布方式粘接后的陣列諧振頻率進(jìn)行測(cè)試，阻抗分析儀測(cè)得陣列諧振頻率為96.8 kHz，與仿真結(jié)果(97.6 kHz)相近。

陣列設(shè)計(jì)思路與1-3型復(fù)合材料相似，通過(guò)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(shí)現(xiàn)純凈的厚度振動(dòng)模態(tài)，提高其有效機(jī)電耦合系數(shù)。本文通過(guò)改進(jìn)1-3 型壓電復(fù)合材料，將陣元間填充的聚合物從傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂改為聚氨酯，有效降低了陣元間的振動(dòng)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(shí)發(fā)射聲波的聲場(chǎng)情況，首先利用COMSOL建立有限元仿真模型，采用壓力聲學(xué)模塊、固體力學(xué)模塊和靜電模塊進(jìn)行求解，建立了整體模型(見(jiàn)圖5)對(duì)換能器聲場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真得到錐形結(jié)構(gòu)換能器的指向性，并將其與常見(jiàn)的半球形頭部結(jié)構(gòu)換能器的指向性進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5 仿真模型圖

圖6 仿真聲場(chǎng)分布圖

如圖6所示，換能器內(nèi)陣元發(fā)出的聲波經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)中有一寬度約為20°的主瓣，兩側(cè)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(jié)果顯示，錐形結(jié)構(gòu)的換能器指向性寬度比半球形結(jié)構(gòu)換能器指向性寬度小5°～7°。

2 換能器制作與測(cè)試

2.1 換能器制作

根據(jù)圖6仿真結(jié)果進(jìn)行換能器的整體裝配與制作。換能器外殼加工時(shí)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(jìn)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(shí)陣元之間采用聚氨酯粘接，陣元負(fù)極用導(dǎo)電膠連通后用導(dǎo)線(xiàn)引出，正極各陣元分別用導(dǎo)線(xiàn)引出。整體裝配則根據(jù)螺孔位置用螺栓連接，走線(xiàn)后對(duì)換能器整體進(jìn)行水密處理。圖7為換能器樣機(jī)圖。

圖7 換能器樣機(jī)圖

2.2 換能器性能測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案的可行性和仿真模型的可靠性，搭建的實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境圖如圖8、9所示。

圖8 測(cè)試環(huán)境示意圖

圖9 測(cè)試環(huán)境俯視圖

實(shí)驗(yàn)在消聲水池中進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器，滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件換能器尖端與水聽(tīng)器中心在同一水平面上，測(cè)試其聲學(xué)性能。

設(shè)置信號(hào)源輸出電壓為500 mV，發(fā)射20個(gè)周期的正弦脈沖波作為換能器的激勵(lì)信號(hào)，設(shè)置換能器尖端指向水聽(tīng)器時(shí)為90°位置。采用LABVIEW軟件制作測(cè)試程序，控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使換能器從0°位置旋轉(zhuǎn)至180°位置，每隔0.5°采集水聽(tīng)器接收信號(hào)，測(cè)試換能器指向性，如圖10所示。

圖10 指向性測(cè)試圖

由圖10可知，換能器在尖端朝向水聽(tīng)器時(shí)，水聽(tīng)器接收到的信號(hào)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(jié)果的指向性寬度略小。與半球形結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)果相比，錐形結(jié)構(gòu)會(huì)使換能器指向性小5°～10°。

為了得到換能器的發(fā)射性能，進(jìn)行了發(fā)射電壓響應(yīng)測(cè)試。在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，設(shè)置換能器頭部尖端正對(duì)水聽(tīng)器中心，8個(gè)陣元同時(shí)加上激勵(lì)電壓，測(cè)試換能器輸入電壓與水聽(tīng)器接收電壓，計(jì)算得到發(fā)射電壓響應(yīng)。在頻率為96 kHz處發(fā)射電壓響應(yīng)有最大值(133 dB)，比仿真的理論結(jié)果小1.1 dB，比半球形結(jié)構(gòu)換能器小1.3 dB。圖11為換能器樣機(jī)發(fā)射電壓響應(yīng)測(cè)試曲線(xiàn)。由圖可看出，實(shí)測(cè)與仿真發(fā)射電壓響應(yīng)趨勢(shì)一致，結(jié)果不完全相同，這是由于仿真時(shí)均采用理想狀態(tài)條件，忽略了現(xiàn)實(shí)因素。

圖11 換能器樣機(jī)發(fā)射電壓響應(yīng)測(cè)試曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1) 本文在壓電式陣列換能器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合使其適應(yīng)水下高速航行器運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)思路，將傳統(tǒng)換能器的平面或球面結(jié)構(gòu)改為錐形結(jié)構(gòu)，并研究了此結(jié)構(gòu)的實(shí)際可行性。

2) 通過(guò)建立換能器在水下工作時(shí)的物理模型，研究其工作機(jī)理。應(yīng)用有限元仿真軟件計(jì)算并分析了換能器工作時(shí)的聲場(chǎng)分布，得到其指向性數(shù)據(jù)。根據(jù)仿真結(jié)果制作換能器樣機(jī)，并搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

3) 根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)表明，此換能器的構(gòu)造設(shè)計(jì)具有實(shí)際可行性。研究證明，聲波在透過(guò)錐形頭部后指向性變小。通過(guò)測(cè)試發(fā)射電壓響應(yīng)可知，在諧振頻率處有最大值(133 dB)，比半球形結(jié)構(gòu)換能器小1.3 dB，這是由于錐形結(jié)構(gòu)的z向長(zhǎng)度比半球形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，產(chǎn)生了發(fā)射響應(yīng)損失?？傮w來(lái)看，錐形結(jié)構(gòu)換能器指向性寬度合適，既保證了較好的探測(cè)范圍，又能減少干擾，透過(guò)錐形頭部后的聲強(qiáng)可以滿(mǎn)足使用需求。