高頻大尺寸水平無(wú)指向性發(fā)射換能器研究

朱張立 趙雙 董銘鋒

（第七一五研究所，杭州，310032）

高頻無(wú)指向性換能器是水下目標(biāo)探測(cè)和預(yù)警的利器。水下小目標(biāo)特別是作戰(zhàn)蛙人對(duì)海軍港口、軍艦、鉆井平臺(tái)等高價(jià)值目標(biāo)構(gòu)成了重要威脅。越南曾在2014年派遣蛙人圍繞981鉆井平臺(tái)布放大量漁網(wǎng)和漂浮物，嚴(yán)重影響了航道安全。水下小目標(biāo)移動(dòng)緩慢，反射截面小，易與海洋生物混淆，極具隱蔽性。對(duì)水下小目標(biāo)的探測(cè)和預(yù)警刻不容緩。目前探測(cè)小目標(biāo)聲吶工作頻率大多在 80～100 kHz ，探測(cè)距離1 000 m左右[1-2]。文獻(xiàn)[3]通過(guò)4瓣拼鑲圓弧灌匹配層后拼成圓環(huán)的方案，實(shí)現(xiàn)了換能器 60～100 kHz水平無(wú)指向性[3]。工作頻率 200 kHz的換能器能進(jìn)一步提高探測(cè)精度，為了增強(qiáng)探測(cè)和預(yù)報(bào)效果，減小漏報(bào)，要求換能器水平指向性起伏較小，甚至無(wú)指向性，但高頻大孔徑換能器實(shí)現(xiàn)水平無(wú)指向性特別困難，指向性曲線容易出現(xiàn)鋸齒狀。本文采用壓電顆粒拼鑲圓環(huán)，顆粒外再加匹配層的方案，通過(guò)理論研究設(shè)計(jì)合理的壓電顆粒數(shù)量，設(shè)計(jì)專用工裝夾具保證顆粒拼鑲正圓，實(shí)現(xiàn)發(fā)射換能器基陣水平無(wú)指向性，垂直指向性3°，發(fā)射電壓響應(yīng)達(dá)到171 dB，解決了水平指向性起伏大的難題，工程實(shí)現(xiàn)方便。

1 換能器設(shè)計(jì)[4]

發(fā)射換能器要求水平方向無(wú)指向性，球型結(jié)構(gòu)和圓管形結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)。但考慮到結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)射換能器要安裝在直徑50 mm的金屬承力桿上，球形結(jié)構(gòu)無(wú)法裝配；圓管結(jié)構(gòu)使用200 kHz基頻，半徑太小無(wú)法安裝；使用高階模態(tài)振動(dòng)太復(fù)雜，指向性無(wú)法滿足，發(fā)射響應(yīng)級(jí)也較低。拼鑲圓環(huán)換能器，能實(shí)現(xiàn)水平?3 dB無(wú)指向性，但諧振頻率一般為3～20 kHz，遠(yuǎn)低于200 kHz的工作頻率?？v向振動(dòng)壓電顆粒密排成圓環(huán)，比完整圓管換能器振動(dòng)模態(tài)單一，電聲效率高，顆粒外邊灌匹配層，能進(jìn)一步改善水平指向性起伏過(guò)大狀況，實(shí)現(xiàn)水平指向性 3 dB以內(nèi)。

發(fā)射換能器核心部分為M層，每層N個(gè)矩形顆粒拼成的圓柱形“小陣”。假設(shè)扇面每層陣有N1個(gè)顆粒參加工作。為方便計(jì)算，N1為奇數(shù)時(shí)，讓扇面陣第一層的中心陣元處在x軸上；當(dāng)N1為偶數(shù)時(shí)，讓扇面第一層所有陣元的中心處在x軸上。若忽略顆粒間互輻射阻抗的影響，則圓柱扇面的發(fā)射陣指向性函數(shù)可寫成：

顆粒不是點(diǎn)源，具有指向性，指向性函數(shù)可根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果擬合，q和p是曲線擬合系數(shù)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量修正，由活塞組成的圓柱陣，第n號(hào)陣元的水平指向性函數(shù)：

第n列陣的垂直指向性函數(shù)：

2 仿真分析

200 kHz頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為0.75 mm，壓電顆粒的孔徑波長(zhǎng)比為0.47，所以p取1.3，q取1.9，顆粒輻射面為正方形，由（4）式可得，單個(gè)顆粒的指向性如圖1所示。

圖1 顆粒水平指向性

圖2 換能器水平指向性

由（1）式，仿真可知，換能器有效直徑取92 mm時(shí)，每一圈41個(gè)顆粒和46個(gè)顆粒成陣的水平指向性如圖2所示。經(jīng)仿真分析，當(dāng)顆粒數(shù)大于50時(shí)，水平指向性曲線為一個(gè)正圓。每個(gè)單元垂直排列 5層壓電陶瓷顆粒，顆粒裝在聚氨酯硬質(zhì)泡沫內(nèi)，如圖3所示，垂直和水平指向性仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 單元指向性圖在二維平面的投影

3 方案實(shí)施及結(jié)果分析

按設(shè)計(jì)方案，換能器由四個(gè)單元垂直套在圓管上，正負(fù)極并聯(lián)出線，外邊用黑色聚氨酯橡膠整體密封而成，換能器直徑100 mm，高155 mm，圖5為換能器測(cè)量狀態(tài)實(shí)物圖。換能器研制時(shí)，保證陣元顆粒一致性是水平元指向性的關(guān)鍵，所用顆粒均由同一批次壓電元件切割而成，由于樣品換能器中陣元顆粒數(shù)量多達(dá)上千顆，所以偶爾有少量顆粒振幅不一致，對(duì)整個(gè)高頻換能器沒(méi)有明顯影響。如果大量振元振幅一致性差，則會(huì)嚴(yán)重影響水平以及垂直指向性，必須避免這種情況出現(xiàn)。換能器加匹配層，形成共同輻射面，改善縱振顆粒振幅一致性，改善換能器水平指向性；匹配層阻抗介于壓電材料和水之間，實(shí)現(xiàn)了換能器的阻抗匹配，使發(fā)射效率沒(méi)有明顯降低；同時(shí)，匹配層調(diào)整了縱振顆粒的固有頻率，出現(xiàn)兩個(gè)諧振，有效拓展帶寬。

圖5 換能器樣品

換能器樣品在5 m×5 m×8 m半消聲水池中，入水1.5 m，測(cè)量其聲性能，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8。從圖中可以看出，發(fā)射換能器200 kHz發(fā)射電壓響應(yīng)171 dB，水平360°起伏1.9 dB，垂直指向性3°，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 換能器發(fā)射電壓響應(yīng)

圖7 換能器水平指向性

圖8 換能器垂直指向性

4 結(jié)論

高頻大尺寸圓管形水下小目標(biāo)探測(cè)換能器設(shè)計(jì)研制時(shí)，水平指向性起伏太大是研制的難點(diǎn)，本文通過(guò)壓電顆粒拼成圓環(huán)再加匹配層的辦法，形成共同輻射面，實(shí)現(xiàn)200 kHz水平無(wú)指向性。本文設(shè)計(jì)換能器用于單頻點(diǎn)聲吶系統(tǒng)，下一步研究方向?yàn)檫M(jìn)一步提高發(fā)射換能器工作帶寬。

[1]歐陽(yáng)文, 朱衛(wèi)國(guó). 蛙人探測(cè)系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 國(guó)防科技,2012, (6):53-57.

[2]羅華強(qiáng), 張向前. 國(guó)外反蛙人探測(cè)聲吶的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[C]. 武器維修保障理論和應(yīng)用: 中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)論文, 2013.

[3]王福林, 胡青. 反蛙人聲吶發(fā)射機(jī)的研制[J]. 聲學(xué)與電子工程, 2014, (2): 31-32.

[4]欒桂冬, 張金鐸, 王仁乾. 壓電換能器和換能器基陣[M].北京大學(xué)出版社, 2015,(6):45.