一種上半空間指向性的水聲發(fā)射換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫昕+周益明+張世海

摘 要：本文討論了一種具有上半空間指向性的水聲發(fā)射換能器的結(jié)構(gòu)，采用半液腔壓電圓管換能器實(shí)現(xiàn)了上半空間指向性，在換能器結(jié)構(gòu)中采用吸聲錐形障板加反聲障柱的方法，實(shí)現(xiàn)換能器的垂直向上的窄波束指向性。同時(shí)也提高了測(cè)量裝備在邊收邊發(fā)方式下的聲隔離度，有效抑制了收發(fā)換能器間的聲串漏。通過對(duì)實(shí)物測(cè)試，系統(tǒng)聲學(xué)收發(fā)隔離效果達(dá)到35dB以上，該換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性得到了驗(yàn)證，并將在裝備研制中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水聲換能器；上半空間；指向性

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

在一種潛標(biāo)式水聲測(cè)量裝備中，需要研制一種具有上半空間指向性的水聲換能器，接收來自上半空間的水聲信號(hào)，同時(shí)并以較窄的垂直向上波束（±70度）實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，即所謂邊收邊發(fā)工作方式。因此在該換能器的設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)解決以下兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：一是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種具有上半空間較窄發(fā)射指向性的換能器；二是實(shí)現(xiàn)在邊收邊發(fā)方式下的聲隔離度及串漏抑制技術(shù)。為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種具有上半空間指向性的水聲發(fā)射換能器的結(jié)構(gòu)，采用新型半液腔溢流式壓電圓管換能器實(shí)現(xiàn)了上半空間指向性，在換能器結(jié)構(gòu)中采用吸聲錐形障板加反聲障柱的方法，實(shí)現(xiàn)換能器的垂直向上的窄波束指向性。同時(shí)也提高了測(cè)量裝備在邊收邊發(fā)方式下的聲隔離度，有效抑制了收發(fā)換能器間的聲串漏。

1.上半空間發(fā)射指向性的換能器設(shè)計(jì)

壓電圓管水聲換能器是水聲領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛的換能器之一，它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作特性穩(wěn)定的特點(diǎn)。相比壓電圓管水聲換能器來說，溢流式圓管換能器結(jié)構(gòu)形勢(shì)更為簡單，其最大特點(diǎn)是不受工作水深的限制，通過對(duì)液腔諧振峰的應(yīng)用可以降低工作頻率，也可以拓展工作頻帶。溢流環(huán)可以簡單的描述成中空的圓管結(jié)構(gòu)，中間為可自由溢流式的液腔，充滿了海水等流體介質(zhì)。溢流式圓管換能器在水中工作時(shí)存在兩種諧振模式：一種是換能器圓管殼體的徑向振動(dòng)，另一種是換能器圓管內(nèi)部水柱的液腔諧振。當(dāng)溢流環(huán)浸沒在水中時(shí)，通過施加低頻電場(chǎng)激勵(lì)溢流環(huán)產(chǎn)生某種形式的振動(dòng)（如徑向），從而進(jìn)一步激勵(lì)溢流環(huán)的液腔發(fā)生同頻振動(dòng)，由于液腔的固有頻率相對(duì)較低，所以溢流環(huán)可在較低的頻率上向外輻射聲能。這兩種諧振模式耦合在一起使得換能器的諧振頻率降低，發(fā)射帶寬展寬。王濤等指出，換能器液腔振動(dòng)主要決定于腔體尺寸（管高H與內(nèi)半徑等）和液體特性；徑向振動(dòng)則主要由圓管的平均直徑Dm和材料等決定。振動(dòng)間的耦合程度主要決定于高度直徑比H/Dm。當(dāng)圓管很短時(shí)，兩種振動(dòng)耦合很強(qiáng)，換能器在強(qiáng)耦合狀態(tài)下的頻率響應(yīng)為一單峰曲線；隨著 H/Dm的增大，耦合逐漸減弱，頻帶展寬，因此通過合理地設(shè)計(jì)換能器的結(jié)構(gòu)尺寸，恰當(dāng)?shù)乩眠@些振動(dòng)模式可得到較寬的頻率響應(yīng)。

由于在測(cè)量系統(tǒng)所要求發(fā)射換能器技術(shù)指標(biāo)為中心頻率20kHz，指向性為垂直上半空間開角大于±70°，聲源級(jí)大于180dB的發(fā)射響應(yīng)。而圓管換能器水平指向性的特點(diǎn)已無法保證上半空間指向性要求，因此換能器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用一種改進(jìn)的新型半液腔溢流式圓管換能器，由于換能器需要向上半空間均勻輻射聲能，結(jié)構(gòu)采用半液腔圓管換能器。利用半液腔振動(dòng)與陶瓷環(huán)的徑向同相位振動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在上半空間內(nèi)的均勻輻射聲場(chǎng)，其利用換能器內(nèi)部水柱的液腔諧振和徑向諧振可獲得良好的頻帶響應(yīng)和指向性。換能器的安裝方式采用開口朝上，下部引出水密接插件，與電子罐連接。采用ANSYS有限元計(jì)算軟件，對(duì)換能器的指向性進(jìn)行仿真計(jì)算，其結(jié)果如圖1所示，從圖可看出在-6dB點(diǎn)的上半空間開角大于180°。圖2為其結(jié)構(gòu)示意圖。

2.換能器聲隔離度及串漏抑制技術(shù)實(shí)現(xiàn)

我們一般用聲隔離度來定義換能器接收到該信號(hào)幅值與發(fā)射信號(hào)幅值的差值。研究表明，聲隔離度主要由以下幾個(gè)方面共同綜合產(chǎn)生：（1）空間距離衰減；（2）殼體障板特性隔離；（3）接收和發(fā)射換能器指向性隔離；（4）干擾抵消信號(hào)處理算法。同時(shí)在邊收邊發(fā)方式下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)也會(huì)通過接收換能器串漏至接收通道內(nèi)，為了避免二次轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致的測(cè)量信息模糊，從換能器結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量在物理層上增加隔離度。只要發(fā)射換能器的設(shè)計(jì)及收發(fā)換能器布置方式所產(chǎn)生的收發(fā)隔離度在物理層上達(dá)到35dB以上就可滿足系統(tǒng)使用要求，從圖2仿真結(jié)果看，換能器雖然滿足上半空間的指向性要求，但是存在較大的向下輻射聲能量。由于系統(tǒng)有邊收邊發(fā)工作模式，這種向下輻射的聲能量在系統(tǒng)工作過程中是不允許存在的，或者是不能超過某一個(gè)設(shè)定聲源級(jí)的，應(yīng)當(dāng)越小越好，我們將其定義為聲串漏。然而，在有限的尺度范圍內(nèi)，由于聲波衍射效應(yīng)的存在，想要抑制這種聲串漏，通過單一障板的辦法已不可行。為了實(shí)現(xiàn)后輻射串漏抑制，在此采用了吸聲錐形障板加反聲障柱的方式。通過水池測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該手段效果較為明顯，實(shí)物如圖3所示，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

對(duì)比換能器在增加障板前后的指向性圖可知，換能器向下輻射聲能量被吸聲障板抑制掉20dB，最小處的聲輻射比主瓣小26dB，可見，這種聲串漏抑制方法是有效可行的。同時(shí)為了增加收發(fā)隔離度，必須進(jìn)一步抵消聲波從發(fā)射換能器向水聽器的聲傳導(dǎo)。采取在水聲裝備的電子罐頂端加裝反聲軟障柱，可以在聲傳播路徑上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)聲抵消，這是提高收發(fā)隔離度的第二步關(guān)鍵手段。通過這兩種手段，使系統(tǒng)聲學(xué)收發(fā)隔離效果達(dá)到35dB以上。

結(jié)語

文章提出一種用于水聲測(cè)量中頻寬帶圓管換能器結(jié)構(gòu)，采用半液腔圓管換能器加吸聲錐形障板加反聲障柱的方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)邊收邊發(fā)下，換能器的上半空間較窄指向性和較好的聲隔離度及串漏抑制，仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果表明，采取上述措施后的換能器很好地達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在該水聲裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)接收和發(fā)射換能器的空間布局做空間優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)空間距離上的衰減，將進(jìn)一步提高系統(tǒng)聲隔離度。采取上述措施后，系統(tǒng)可獲得約40dB左右的隔離度。這些結(jié)果都為該型水聲裝備提供有力支撐。

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