帶障板球換能器輻射特性分析

鐘勇潮

（海裝廣州局，廣州， 510320）

無論是海洋資源開發(fā)還是海底地貌、水下結(jié)構(gòu)及蛙人探測，水聲成像技術(shù)都發(fā)揮著舉足輕重的作用。水聲成像設(shè)備主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和信號處理及顯示三部分組成。為了能同時對較大空間進(jìn)行探測，發(fā)射和接收換能器必須具有較大的指向性開角，所以聲學(xué)成像系統(tǒng)中的換能器多為曲面形狀，如球冠形、拋物面形和橢球形等。

對球冠換能器的輻射聲場，Morse作了較詳細(xì)的闡述。當(dāng)ka適中時，球冠換能器背向輻射較大，指向性函數(shù)往往在極軸附近出現(xiàn)較大波動。這對換能器性能非常不利，為了降低背向輻射，常采用在換能器和剛性障板間加適當(dāng)厚度的聲學(xué)去耦材料。通常，球型換能器帶障板常采用點聲源鏡像法，但此時，壓電小球有一部分埋入泡沫障板內(nèi)，點聲源不能完全反映輻射情況。本文設(shè)計一球冠換能器，小球與金屬后蓋板之間墊厚度大于半波長的去耦泡沫，為降低測量夾具和后蓋板振動對性能的影響，泡沫與后蓋板用軟橡膠連接，換能器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換能器結(jié)構(gòu)圖

1 球冠換能器指向性

球冠換能器結(jié)構(gòu)如圖2所示，球面Ⅰ上各點作同相等幅振動，球面Ⅱ為剛性，各點振動速度為零，該換能器聲場數(shù)學(xué)表達(dá)為：

其中p為聲壓，v為振速，C是聲速，該問題在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的推導(dǎo)，得到指向性函數(shù)為：

圖2 球冠換能器示意圖

2 仿真分析

當(dāng)小球直徑為25 mm，工作頻率取75 kHz 時，若要求指向性角超過120°，根據(jù)式（2），由Matlab仿真結(jié)果圖3可知θ0取值范圍為89.4°～100°。圖中還顯示球冠換能器指向性開角隨 θ0的增加而增大，0°方向的凹陷隨θ0的增大而加深，要綜合考慮指向性開角和指向性曲線的起伏，選擇合理的角度。

圖3 75 kHz指向性

3 實驗測量

取直徑25 mm小球，按θ0=96°和θ0=112.6°制作球冠換能器，小球與泡沫之間用軟性聚氨酯膠粘接。本文重點研究球心到障板距離d，相對于θ0對換能器指向性的影響。障板的作用是吸收向后蓋板輻射的聲波，減少反射波對輻射聲場的影響，障板材質(zhì)越輕，面積越大，厚度越厚吸聲效果越好。考慮到換能器尺寸限制，障板面積與金屬后蓋板相當(dāng)，厚度為四分之一波長，材料取耐壓4 MPa的聚氨酯泡沫。在5 m×5 m×8 m消聲水池中測量換能器75 kHz時的指向性，并與有限元仿真結(jié)果對比，如圖4、圖5所示。

測量結(jié)果顯示：

1、θ0=96°時，?3 dB 指向開角為 104°；θ0=112°時，?3 dB指向性開角是126°，與仿真分析中θ0越大，指向性開角越大相一致。

2、180°方向，也就是換能器的背部，輻射很小，這是因為壓電球與金屬后蓋板之間墊有去耦泡沫。

3、θ0越大，0°方向凹谷越深，與理論分析和有限元仿真結(jié)果吻合。

4、有限元仿真的曲線與實際測量曲線基本吻合，能較好反應(yīng)指向性開角。

5、0°方向有限元仿真與實際測量值有偏差，是因為實際的邊界條件比較復(fù)雜與施加在模型上的邊界不能百分百相同，同時球本身的均勻性以及安裝精度也有一定的影響。

6、球冠理論在背部有能量輻射，而且指向性開角比仿真要大，這是因為球冠理論埋入障板部分定義為剛性，振速為零，未埋入部分做等幅振動，就相當(dāng)于只是球的一部分在工作。有障板換能器的背部本不該有能量輻射，這也是球冠理論在反映帶障板換能器指向性時的局限所在。有限元方法能接近真實在反映小球、障板等各部分的結(jié)構(gòu)和振動，更加接近真實情況。

圖 4 θ0=96°時 75 kHz對應(yīng)的指向性

圖5 θ0=112°時75kHz對應(yīng)的的指向性

4 結(jié)論

球冠換能器，是實現(xiàn)換能器寬指向性角的有效方法之一。本文換能器實際測量值與理論計算值，并不是完全吻合，但θ0越大，指向性開角越大，θ0越大，0°方向凹陷越深這一規(guī)律，對球冠換能器設(shè)計仍有重要的指導(dǎo)意義。有限元法仿真結(jié)果與測量曲線吻合很好，可以作為設(shè)計的重要參考。

[1] MORSE P M, INGARD K U. Theoretical acoustics [M].New York: McGraw-Hill, 1968.