聲障板對(duì)圓柱換能器軸向波束抑制技術(shù)研究

王敏慧，胡健輝，王艷

聲障板對(duì)圓柱換能器軸向波束抑制技術(shù)研究

王敏慧1，胡健輝2，王艷1

(1. 上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108；2. 水聲對(duì)抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108)

文章研究了聲障板對(duì)圓柱換能器軸向波束抑制特性。利用有限元仿真方法建立了帶軸向反聲障板的圓柱形換能器的水中模型，通過改變障板距離圓柱形換能器的相對(duì)距離、直徑等參數(shù)，探索了障板對(duì)圓柱形換能器軸向波束的抑制效果，并實(shí)際制作了帶軸向障板的圓柱形換能器。結(jié)果表明：有限元仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好，利用障板技術(shù)可以有效地抑制圓柱換能器軸向聲壓。

障板；圓柱形換能器；指向性徑軸比

0 引言

邊發(fā)邊收技術(shù)可以在發(fā)射強(qiáng)干擾的同時(shí)測(cè)量尋的信號(hào)的頻率，從而控制發(fā)射頻率自動(dòng)跟蹤尋的頻率的變化，使發(fā)射功率集中于較窄的頻帶，增強(qiáng)干擾效果。為了實(shí)現(xiàn)邊收邊發(fā)的功能[1-2]，要求收、發(fā)換能器系統(tǒng)具有良好的聲隔離性能。除了拉大收/發(fā)換能器之間的距離提高聲隔離效果以外，在設(shè)計(jì)換能器時(shí)，可采用有效的反聲障板結(jié)構(gòu)[3-4]設(shè)計(jì)增大換能器垂直方向性的徑軸比，從而提高收、發(fā)換能器之間的隔離效果。

國(guó)外針對(duì)邊發(fā)邊收系統(tǒng)的聲隔離效果有一些研究，瑞典的GUSTAVSSON利用在收、發(fā)換能器之間放置聲障板的方式，通過對(duì)圓柱形發(fā)射和接收換能器垂直波束徑軸比的抑制，獲得了一定的聲隔離效果[5]，其湖上試驗(yàn)圖及測(cè)試結(jié)果如圖1所示。圖1中，其障板尺寸較大，適用于外形尺寸不受限的情況。聲障板的作用效果如圖1(b)所示，圖中使用障板后接收換能器徑軸比可達(dá)到15 dB。

(a) 邊發(fā)邊收聲隔離系統(tǒng)(b) 帶障板水聽器的指向性圖

本文在探索圓柱換能器端部無源材料對(duì)其垂直波束軸向徑軸比的影響規(guī)律[6]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究反聲障板安裝在換能器軸向時(shí)對(duì)圓柱換能器徑軸比的影響。

1 障板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶軸向障板的圓柱換能器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，障板采用防水、隔熱、保溫、阻燃性能較好的硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，聲反射系數(shù)約為0.9。本文主要借助有限元的理論計(jì)算，獲得不同障板狀態(tài)下的換能器垂直方向性，通過調(diào)節(jié)反聲障板到圓柱換能器的距離和障板的直徑，探索障板對(duì)圓柱換能器垂直波束徑軸比影響的規(guī)律，從而指導(dǎo)工程應(yīng)用。在不同的空間約束下選擇合適的距離和尺寸，獲得最佳的垂直波束徑軸比。障板的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際制作的帶軸向障板的換能器實(shí)物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，在工程應(yīng)用中具有實(shí)用價(jià)值。

圖2 帶障板的圓柱換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2 有限元計(jì)算仿真

本文采用有限元軟件對(duì)帶反聲障板的圓柱換能器進(jìn)行整體建模分析。在仿真模型中涉及的材料有壓電陶瓷、金屬材料和障板材料等。其中壓電陶瓷選用PZT-4；金屬蓋板選用鋁，其楊氏模量為70 GPa，泊松比為0.33，密度為2 700 kg.m-3；反聲障板材料選用硬質(zhì)泡沫，其密度為290 kg.m-3。換能器的主要有功器件由3個(gè)徑向極化的陶瓷圓管并聯(lián)組成，圓管直徑為50 mm，厚度為2 mm，高度為20 mm，加入無源去耦材料和蓋板后，換能器整體高度約為90 mm。圖3為帶障板的圓柱換能器在頻率為15 kHz時(shí)的仿真聲場(chǎng)，其中反聲障板厚度=10 mm，直徑=200 mm，障板安裝距離= 50 mm(/2)。以下仿真數(shù)據(jù)均針對(duì)頻率=15 kHz，=100 mm時(shí)的指向性圖進(jìn)行研究分析。

2.1 徑軸比與障板安裝距離d的關(guān)系

硬質(zhì)聚氨酯泡沫反聲障板厚度=10 mm，直徑=200 mm，調(diào)節(jié)障板到換能器軸向端面的距離，

圖3 帶障板圓柱換能器的仿真聲場(chǎng)

選擇=0 mm，=25 mm(/4)，=50 mm(/2)，=75 mm(3/4)，=100 mm()，分析頻率為15 kHz時(shí)，障板安裝距離對(duì)圓柱換能器垂直波束徑軸比的影響。指向性圖仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同障板安裝距離作用下圓柱換能器15 kHz仿真指向性圖(障板直徑為200 mm)

不同障板距離作用下圓柱換能器垂直方向的-3 dB垂直開角和徑軸比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同障板安裝距離作用下圓柱換能器仿真垂直方向性對(duì)比表(障板直徑為200 mm)

參照?qǐng)D4并對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)可知：

(1) 圓柱換能器未安裝反聲障板時(shí)，其垂直方向-3 dB開角為78°，0°方向和180°方向的徑軸比分別為6.0 dB和4.0 dB，兩個(gè)方向徑軸比的差別是由于在180°方向上換能器電纜的影響造成的，仿真模型與實(shí)際情況相符。將反聲障板安裝在圓柱換能器一端(0°位置)后，圓柱換能器垂直方向-3 dB開角均受到障板的影響而變??；在=/4時(shí)，開角最小，為39°。由此可知，用障板抑制徑軸比的同時(shí)，減小了垂直開角，這個(gè)現(xiàn)象在工程實(shí)施過程中要兼顧考慮。

(2) 5種曲線在安裝障板的軸向0°位置均有小的凸起。當(dāng)=/4時(shí)，障板對(duì)軸向的徑軸比抑制為最大14 dB，其他距離可獲得約10 dB的徑軸比，且徑軸比與距離的變化沒有特別的規(guī)律。由于障板安裝在換能器的近場(chǎng)，陶瓷圓管在振動(dòng)時(shí)不能簡(jiǎn)單地視為理想的點(diǎn)聲源進(jìn)行分析處理，障板反聲后的聲場(chǎng)較為復(fù)雜，這種凸起現(xiàn)象是由于散射聲場(chǎng)疊加造成的。

(3) 在換能器未安裝障板的180°位置，當(dāng)=/4和=3/4時(shí)軸向聲壓最大，與水平徑向聲壓相當(dāng)；當(dāng)=/2和=時(shí)出現(xiàn)凹點(diǎn)，且凹點(diǎn)的大小隨障板距離的增大而增大，當(dāng)=時(shí)，徑軸比最大，為20 dB。由此可知，在圓柱換能器的軸向一端安裝反聲障板時(shí)，對(duì)軸向另一端的徑軸比有較明顯的影響。

2.2 徑軸比與障板直徑D的關(guān)系

硬質(zhì)聚氨酯泡沫反聲障板厚度=10 mm，取相對(duì)距離=50 mm，通過調(diào)節(jié)障板直徑，=50 mm/2)，=100 mm()，=150 mm(3/2)，=200 mm(2)，=250 mm(5/2)，研究頻率為15 kHz時(shí)，障板直徑對(duì)圓柱換能器垂直波束徑軸比的影響。指向性仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同直徑障板作用下圓柱換能器15 kHz時(shí)仿真指向性圖(障板安裝距離為50 mm)

不同直徑的障板作用下圓柱換能器垂直方向的-3 dB垂直開角和徑軸比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同障板直徑作用下圓柱換能器仿真垂直方向性對(duì)比表(障板安裝距離為50 mm)

參照?qǐng)D5中的方向性曲線，對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可知：

(1) 當(dāng)=50 mm，改變障板直徑時(shí)，換能器垂直方向的-3 dB開角比未安裝障板時(shí)變小，垂直開角隨障板直徑的變化不大。

(2) 隨著的增大，障板對(duì)軸向0°位置的軸向聲壓的抑制效果逐漸增強(qiáng)，徑軸比由6.9 dB增大到12 dB，如圖6所示。

(3) 在換能器未安裝障板的180°位置，出現(xiàn)了徑軸比先增大后減小的變化，當(dāng)=3/2時(shí)，垂直波束徑軸比達(dá)到最大值22 dB，如圖6所示。

圖6 不同直徑障板作用下圓柱換能器指向性圖的徑軸比(藍(lán)線指 0° 軸，紅線指180° 軸)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

依據(jù)仿真結(jié)果，選取徑軸比最佳的障板安裝距離=50 mm和直徑=150 mm進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際制作了厚度=10 mm的硬質(zhì)聚氨酯泡沫反聲障板，障板表面進(jìn)行水密封裝涂覆處理，涂覆層厚度小于0.5 mm，將障板與圓柱換能器進(jìn)行組合安裝。安裝軸向障板的圓柱換能器實(shí)物圖如圖7所示。

在消聲水池中利用脈沖法測(cè)量了帶障板圓柱換能器的指向性曲線，將仿真數(shù)據(jù)與消聲水池的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示。

由圖8可知，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致，略有不同是由于實(shí)際材料參數(shù)與仿真模型中使用的材料參數(shù)有所差別造成的，另外安裝障板的螺桿也會(huì)對(duì)徑軸比的測(cè)試數(shù)據(jù)有一定的影響。通過試驗(yàn)測(cè)試，在15 kHz時(shí)，在圓柱換能器的軸向0°位置安裝反聲障板，在換能器軸向180°的位置獲得20 dB的垂直波束徑軸比。實(shí)測(cè)在未安裝障板時(shí)，15 kHz主波束發(fā)射電壓響應(yīng)為138.5 dB；安裝障板后為140.6 dB。由此可知，在15 kHz時(shí)，障板對(duì)軸向波束有較好的抑制效果，且使得主波束發(fā)射電壓響應(yīng)略有增加。

圖7 帶障板的圓柱換能器實(shí)物照片

圖8 仿真與實(shí)測(cè)的圖7所示換能器在15 kHz的指向性圖

4 結(jié)論

本文對(duì)帶障板的圓柱換能器進(jìn)行了仿真計(jì)算，探索反聲障板到圓柱換能器的距離和障板直徑對(duì)圓柱換能器垂直波束徑軸比的影響規(guī)律。仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果基本一致。

依據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，使用反聲系數(shù)為0.9的聚氨酯泡沫障板，當(dāng)障板距離圓柱換能器邊緣=50 mm，障板直徑=150 mm時(shí)，在15 kHz頻率可以獲得20 dB的垂直波束徑軸比，且在障板作用下主波束發(fā)射電壓響應(yīng)略有增加。

通常在圓柱換能器的軸向安裝障板時(shí)，認(rèn)為障板對(duì)安裝障板的一側(cè)聲壓有抑制和減弱的效果，然而通過本文的研究分析發(fā)現(xiàn)，在圓柱形換能器軸向安裝障板的另一側(cè)獲得了更好的徑軸比，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)工程應(yīng)用具有重要的參考意義。

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[6] 王敏慧, 胡健輝. 圓柱換能器端部無源材料對(duì)其垂直波束的影響[C]//2018年全國(guó)聲學(xué)大會(huì), 2018.

Research on axial beam suppression technique for baffled cylindrical transducer

WANG Min-hui1, HU Jian-hui2, WANG Yan1

(1. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China;2. Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing Laboratory, Shanghai 201108, China)

In this paper, the axial beam suppression characteristics of acoustic barrier plate for cylindrical transducer are introduced. The model of cylindrical transducer with an axial barrier in water is established by using finite element simulation method. By changing the diameter of the baffle and its relative distance away from the cylindrical transducer, the suppression effect of the baffle on the axial beam of the cylindrical transducer is discussed. And the cylindrical transducer with an axial barrier plate has been developed. It is shown that the results of FEM simulation are in good agreement with the test results, and that the axial acoustic pressure of cylindrical transducer can be effectively suppressed by using barrier technique.

baffle plate; cylindricaltransducer; ratio of radial to axiallevel in directivity pattern

TB533

A

1000-3630(2019)-04-0476-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.04.020

2018-12-08;

2019-02-20

王敏慧(1980－), 女, 青海西寧人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗晸Q能器設(shè)計(jì)。

王敏慧,E-mail: mh__@163.com