基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料高頻水聲相控陣換能器研究

鮮曉軍, 林書玉,王登攀,楊　靖

(1.陜西師范大學(xué) 應(yīng)用聲學(xué)研究所, 西安 710062；2.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶400060)

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基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料高頻水聲相控陣換能器研究

鮮曉軍1,2, 林書玉1,王登攀2,楊靖2

(1.陜西師范大學(xué) 應(yīng)用聲學(xué)研究所, 西安 710062；2.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶400060)

摘要：對基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料的高頻相控陣換能器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。通過切割與填充去耦材料制作類1-3-2型壓電復(fù)合材料，并對類1-3-2型壓電復(fù)合材料的基元進(jìn)行布陣，在二維方向上形成4個子陣。通過對子陣適當(dāng)相移，抑制主瓣和保留柵瓣，在空間上形成所需的發(fā)射與接收波束。實(shí)現(xiàn)了通過一個多元平面陣列形成4個所需的指向性波束，測速時避免了聲學(xué)補(bǔ)償。與傳統(tǒng)使用4個活塞型收發(fā)換能器形成指向性波束的方法相比，相控陣換能器的幾何尺寸顯著減小。研究結(jié)果表明，基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料高頻水聲相控陣換能器具有高發(fā)射響應(yīng)，寬頻帶，波束一致性好，結(jié)構(gòu)緊湊，制作工藝簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：類1-3-2型復(fù)合材料；相控陣；水聲換能器；相移

0引言

相控陣換能器作為相控陣多普勒計(jì)程儀的“嘴巴”與“耳朵”，是水下一切信息的源泉[1-2]。與傳統(tǒng)采用多個活塞換能器的計(jì)程儀相比，基于相控陣換能器的多普勒計(jì)程儀可從機(jī)理上免除聲學(xué)補(bǔ)償；在波束寬度和工作頻率相同的情況下，平面相控陣換能器的重量比多個獨(dú)立換能器構(gòu)成的基陣減小一個數(shù)量級；在波束寬度和基陣尺寸相同的情況下，平面相控陣的工作頻率可更低、作用距離可更大。隨著水下測速領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，有關(guān)相控陣換能器的理論研究和產(chǎn)品開發(fā)的報(bào)道越來越多。田坦等[3]給出了相控陣換能器波束形成的基本方法，馬淳燕和任敏等[4-5]將相控陣換能器應(yīng)用于多普勒計(jì)程儀中并進(jìn)行了水下測速實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)有的低頻相控陣換能器內(nèi)部的基元由于幾何尺寸較大，大多根據(jù)布陣整體設(shè)計(jì)要求制作所需的陶瓷基元，然后將基元按一定規(guī)律置于帶孔的支撐結(jié)構(gòu)之中進(jìn)行布陣。用于制作支撐結(jié)構(gòu)的材料需具有一定強(qiáng)度從而不易發(fā)生變形，且易于加工。同時，需精確設(shè)計(jì)孔徑的幾何尺寸和孔徑間的間距，避免基元與支撐材料發(fā)生耦合。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于受外力、加工工藝以及溫度等方面的影響，通過該方案制作的陣列容易發(fā)生變形。同時，支撐結(jié)構(gòu)件的加工難度較大，尤其是在高頻陣列的研制過程中，由于基元本身的幾何尺寸和基元間的距離均較小，制作滿足布陣設(shè)計(jì)要求的支撐結(jié)構(gòu)的工藝難度更大，該技術(shù)難題成為研制高性能高頻相控陣換能器的主要瓶頸技術(shù)之一。

本文基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料研制高頻相控陣換能器，利用其按一定規(guī)律排布的壓電陶瓷柱作為陣列的基元，對基元分組并進(jìn)行電路連接，通過后端電路進(jìn)行相位控制，實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射與相控接收[6-9]。與傳統(tǒng)相控陣換能器的研制方法相比，基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料相控陣換能器具有成陣工藝路線簡單、基元一致性好，同時可有效避免陣列發(fā)生變形而影響電聲性能等優(yōu)點(diǎn)。

1類1-3-2型壓電復(fù)合陶瓷材料壓電特性理論分析

1.1陣列基元振動特性分析

圖1為壓電陶瓷矩形振子示意圖，其長度、寬度和高度分別為l，w，t，極化方向沿著高度方向即z軸方向，電極面垂直于z軸。為保證能量沿基元厚度方向最大限度輻射，基元幾何尺寸需滿足一維振動的幾何尺度，即t?l,t?w，此時可忽略基元的橫向振動對厚度方向振動的影響。

圖1　壓電振子示意圖Fig.1　Schematic view of the piezoelectricceramic resonator

利用類1-3-2型壓電復(fù)合材料研制相控陣換能器，由于陶瓷基底的厚度遠(yuǎn)小于基元的厚度，此時可忽略陶瓷基底厚度對基元厚度方向振動的影響?；谝陨霞僭O(shè)，基元在垂直于極化軸的平面內(nèi)為各項(xiàng)同性，其壓電方程為

(1)

(2)

(2)式中，kz=ω/cz，cz=(Ez/ρ)1/2，ρ為陶瓷基粒的密度，E2為陶瓷基粒z方向上的楊氏模量，kz與cz為等效波速與聲速，ω=2πf，ω與f為基元的角頻率和共振頻率。由(1)-(2)式可得，基元諧振頻率的近似表達(dá)式為

(3)

1.2相控陣換能器布陣原理分析

利用多普勒效應(yīng)測量艦船速度v時，其計(jì)算公式為

(4)

(4)式中：c為水中聲速；f0為發(fā)射頻率；fd為多普勒頻率；θ為波束傾角。相控陣換能器采用多級復(fù)合布陣，各陣元構(gòu)成等間距線列陣，各子陣元間距為d，相控示意如圖2所示。如果在與鉛垂方向成θ角方向形成波束，則需在2個陣元激勵信號間預(yù)先補(bǔ)償?shù)南嘁茷?/p>

(5)

因而有

(6)

圖2　相控示意圖

根據(jù)緊湊設(shè)計(jì)原則，陣列整體形狀設(shè)計(jì)為圓形, 其可視為由長度不同的換能器條并排構(gòu)成，其平面陣可看作為由靈敏度不同的等間距直線陣構(gòu)成。以一維相控陣為例進(jìn)行分析，假設(shè)有一個陣元靈敏度相同的等間距線列陣, 該直線陣有m元陣元, 間距為d。將m元陣元陣分為3級復(fù)合子陣, 第3級為4個同樣的m/4元的子陣, 各子陣的陣元間距為l3=4d, 等效四元陣的間距為d。再將此等效的四元陣視為一個2級復(fù)合陣, 亦即第2級陣由2個間距均為l2=2d的二元子陣構(gòu)成。第1級陣由2個二元子陣構(gòu)成, 其等效陣元間距l(xiāng)1=d。此時,m元的線陣可視為3級復(fù)合陣, 其陣元數(shù)分別為2,2,m/4,而對應(yīng)的陣元間距分別為l1=d，l2=2d，l3=4d。

圖3　相控發(fā)射方案原理示意圖Fig.3　Scheme of phased-controlled transmitting system

相控接收時，要求將2個波束通道信號進(jìn)行區(qū)分，以便對各通道進(jìn)行獨(dú)立的頻率測量,從而據(jù)此解算載體的運(yùn)動速度。將第1級二元陣的主極大值方向控制到-sinθ=λ/4d位置，利用乘積定理，形成左接收波束，如圖4a所示；同理，將第1級二元陣的主極大值方向控制到sinθ=λ/4d位置，形成右接收波束，如圖4b所示。

由相控發(fā)射與相控接收原理分析可知，設(shè)定向波束的方位傾角為θ，相鄰振動基元的間距為d，d與θ間存在的關(guān)系式為

(7)

圖4　相控接收方案原理示意圖Fig.4　Scheme of phased-controlled receiving system

2相控陣換能器仿真設(shè)計(jì)

相控陣換能器采用類1-3-2型壓電復(fù)合陶瓷上的正方形壓電陶瓷基元制作平面聲基陣，布陣示意如圖5所示。分別將V1，V2，V3，V4方向(白色基元)和H1，H2，H3，H4方向(黑色基元)的基元進(jìn)行并聯(lián)，構(gòu)成X方向和Y方向上共8個子陣。在發(fā)射工作狀態(tài)時，H1，H2，V1，V24個子陣輸入相同的信號；H3，H4，V3，V44個子陣輸入另一個相同的信號，兩組的信號幅度相同，相位相差180°?；嚬ぷ髟诮邮諣顟B(tài)時，水平H方向4個子陣H1，H2，H3，H4分別進(jìn)行0°，90°，180°，270°(或0°，-90°，-180°，-270°)相位延遲，實(shí)現(xiàn)水平單波束接收。

圖5　相控陣換能器基元布陣示意圖Fig.5　Array distribution of phased-array transducer

基陣設(shè)計(jì)諧振頻率為300 kHz，陶瓷基元的橫截面幾何尺寸為2.2 mm×2.2 mm，基元厚度為4.5 mm，相鄰基元之間的間距為0.03 mm，圓形基陣的直徑為90 mm。根據(jù)半功率點(diǎn)開角計(jì)算，定向波束的波束寬度為3.3°。為保證X方向和Y方向上各子陣的聲中心一致，采用對角布陣，即擁有共同頂點(diǎn)的基元為相鄰單元，此時相鄰基元的聲中心距離d=3.535 mm，根據(jù)(7)式可得，基陣對應(yīng)的定向波束傾角為±20.7°。

采用多級復(fù)合陣技術(shù)進(jìn)行相控發(fā)射和接收控制，利用一個功率源實(shí)現(xiàn)發(fā)射相控，經(jīng)數(shù)字移相和波束銳化實(shí)現(xiàn)4個方向接收波束的合成，相控發(fā)射波束仿真如圖6所示，右波束相控接收波束仿真如圖7所示，其仿真結(jié)果驗(yàn)證了前文相控理論的正確性，得到了指定方向上的相控發(fā)射波束與相控接收波束。

圖6　相控發(fā)射仿真圖Fig.6　Simulation scheme of phased-controlledtransmitting system

3相控陣換能器的工藝制作與測試

選用PZT-41型壓電陶瓷圓片作為敏感元件，利用非金屬切割設(shè)備按照設(shè)計(jì)尺寸對陶瓷圓片進(jìn)行精密切割，制作類1-3-2型壓電復(fù)合材料。利用類1-3-2型壓電復(fù)合材料中各基元的厚度振動模式，并按理論設(shè)計(jì)進(jìn)行電路分組連接，其陣列內(nèi)部排布如圖8所示。與傳統(tǒng)制作帶孔支撐結(jié)構(gòu)并將陶瓷基元置于開孔中進(jìn)行布陣的工藝路線相比，利用類1-3-2型壓電復(fù)合材料制作的陣列整體平整性較好，變形小，工藝過程簡單可靠。將制作好的陣列裝配在預(yù)先設(shè)計(jì)好的外殼之中，陣列后端灌注相應(yīng)的對稱吸聲材料，輻射端灌注聚氨酯透聲材料進(jìn)行水密，樣品實(shí)物如圖9所示。

圖7　相控接收仿真圖Fig.7　Simulation scheme of phased-controlledreceiving system

圖8　陣列內(nèi)部布陣排列圖Fig.8　Image of the array distribution ofphased-array transducer

圖9　相控陣換能器實(shí)物圖Fig.9　Image of the phased-array transducer

將制作完成的相控陣換能器在國防科技一級計(jì)量站標(biāo)準(zhǔn)水池進(jìn)行了電聲性能測試, 基陣全陣的導(dǎo)納曲線和發(fā)射電壓響應(yīng)如圖10和圖11所示。測試結(jié)果表明，基陣的諧振頻率為298 kHz，最大發(fā)射響應(yīng)值達(dá)188 dB，-3 dB帶寬大于60 kHz，具有高響應(yīng)、寬頻帶等特點(diǎn)。

圖10　相控陣換能器導(dǎo)納測試曲線Fig.10　Measured admittance curve of thephased-array transducer

圖11　相控陣換能器發(fā)射電壓響應(yīng)測試曲線Fig.11　Measured curve of transmitting voltage responseof the phased-array transducer

同時，對基陣子陣的自然指向性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖12所示。經(jīng)相位控制后基陣的發(fā)射指向性如圖13所示。從指向性的測試曲線不難看出，基陣的理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)以及工藝制作方案的可行性。同時，實(shí)測的旁瓣結(jié)果略高于理論值，且2個發(fā)射波束最大響應(yīng)也存在一定差異。誤差來源主要包括以下3個方面：①基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料的相控陣換能器雖最大限度保證了陣列基元高度的一致性以及避免基元安裝高度不一致引起的相位誤差，但在灌注去耦材料的過程中，去耦材料與基元不能實(shí)現(xiàn)完全去耦，振動時會導(dǎo)致基元間存在相位差；②由于對基元進(jìn)行焊接分組過程采用的人工焊接，焊點(diǎn)的大小對高頻換能器的諧振頻率以及相位的一致性影響明顯；③理論設(shè)計(jì)過程中，陶瓷基底厚度與基元厚度相比很小，忽略了其對基元厚度方向振動的影響，該近似也將導(dǎo)致理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。此外，理論設(shè)計(jì)和仿真過程采用的是標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，與實(shí)際材料參數(shù)也存在一定誤差。

圖12　相控陣換能器波束自然指向性測試曲線Fig.12　Measured curve of nature beam patternof the phased-array transducer

圖13　相控陣換能器波束相控測試曲線Fig.13　Measured curve of phased-controlled beampattern of the phased-array transducer

4結(jié)束語

基于類1-3-2型壓電復(fù)合材料研制了高頻相控陣換能器，利用其按一定規(guī)律排布的壓電陶瓷柱作為陣列的基元，進(jìn)行了陣列換能器的研究與設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的相控陣換能器工藝技術(shù)相比，利用類1-3-2型壓電復(fù)合材料不僅可研制高響應(yīng)、寬頻帶相控陣換能器，同時具有成陣工藝簡單可靠，陣列各子陣一致性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是其工藝路線應(yīng)用于研制幾百赫茲以上的高頻水聲相控陣換能器具有明顯優(yōu)勢。

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Study of high frequency phased-array underwater transducer based on analogous 1-3-2 piezocomposite material

XIAN Xiaojun1.2, LIN Shuyu1, WANG Dengpan2，YANG Jing2

(1. Institute of Applied Acoustics, Shaanxi Normal University, Xian 710062,P.R.China；2. 26thInstitute of China Electronics Technology Group Corporation, Chongqing 400060, P.R.China)

Abstract:The theoretical and experimental analyses of the phased-array transducer based on analogous 1-3-2 type piezocomposite material are done in this paper. By incising and filling the piezoelectric ceramic circular resonator with decoupling material, the analogous 1-3-2 type piezocomposite material is fabricated. The elements of the piezocomposite material are embattled in planar directions to form four wave beams. The transmitting and receiving wave beams are achieved by phase-shifted to restrain the main lobe and reserve the grating lobe. Four required beams are formed by a plane phased array, and no compensation for sound velocity is needed. The size of the array is decreased compared to using 4 piston monostatic transducers. The results show that this type of phase-array transducer has the advantages of better performance for transmitting and receiving sound wave, compact and steady structure，easy way of making elements and electrode.

Keywords：analogous 1-3-2 piezocomposite material；phased-array；underwater transducer；phase-shift

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.018

收稿日期：2015- 09-23

修訂日期：2016- 05- 07通訊作者：鮮曉軍myzx310@163.com

基金項(xiàng)目：國際科技合作計(jì)劃基金(2010DFR10690)；國家自然科學(xué)基金(11174192 ，11374200)；高等學(xué)校博士點(diǎn)基金(2011020211010)

Foundation Items：The International Science & Technology Cooperation Program of China(2010DFR10690)；The National Natural Science Foundation of China (11174192，11374200)； The Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (2011020211010)

中圖分類號：TN702；TB565

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-825X(2016)03-0389-06

作者簡介：

鮮曉軍(1981-)，男，四川綿陽人，高級工程師，博士生，從事聲學(xué)材料與換能器研究。E-mail:myzx310@163.com。

林書玉(1963-)，男，山東萊州人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事聲學(xué)機(jī)理以及換能器研究。

王登攀(1985-)，男，山東泰安人，工程師，碩士，從事水聲換能器研究。

楊靖(1981-)，男，山東菏澤人，高級工程師，碩士，從事聲學(xué)信號處理技術(shù)研究。

(編輯：魏琴芳)