堆疊式星型柱面發(fā)射換能器

劉慧生

（1 中國科學院聲學研究所，北京，100190）

（2 北京海洋聲學裝備工程技術研究中心，北京，100190）

在水下網絡通訊中，聲吶浮標常采用圓柱形聲源，主要是利用其周向無指向性的聲發(fā)射特性，實現(xiàn)周邊各節(jié)點的通訊，工作頻率一般以10 kHz為中心頻率，帶寬在4 kHz左右。文獻[1]提到一種星型圓柱換能器，利用輻射頭的彎曲模態(tài)實現(xiàn)低頻寬帶工作。John L Bulter[2]提到一種利用單極子、偶極子、四極子工作模式的星型圓柱換能器，實現(xiàn)提高換能器的指向性指數，相同源級情況下，可降低能源消耗，從而延長設備工作時間。

換能器常見的帶寬展寬方式是多模態(tài)耦合，但有時由于相位反相、結構尺寸限制、模態(tài)間距過大等造成模態(tài)耦合困難。而采用多個不同頻段的諧振換能器組合實現(xiàn)增加帶寬則不存在相位反相問題，容易實現(xiàn)寬頻帶的覆蓋，相應帶來結構尺寸的增加。本文之所以提出采用堆疊星型圓柱結構方式來實現(xiàn)工作頻帶的展寬，是因為在工程實踐中由于換能器工作頻段、結構尺寸、指向性等問題相互制約，采用縱彎耦合模態(tài)實現(xiàn)擴展頻帶并兼顧指向性的要求有一定的困難。

1 數值仿真

星型柱面換能器結構由 6個各帶輻射頭的壓電堆共享一個后質量塊組合而成。圖1（a）為星型柱面換能器示意圖。為了實現(xiàn)不同諧振頻率的星形圓柱換能器堆疊，并考慮二者外形尺寸基本一致，2個星型結構分別采用不同直徑的陶瓷，通過調節(jié)陶瓷長度和后質量塊大小，來實現(xiàn)兩個結構諧振工作頻率的間距匹配，達到擴展帶寬的要求。采用有限元方法，對換能器進行數值仿真。圖1（b）是由兩個高低頻諧振堆疊式星型柱面換能器的1/12物理模型。上下兩端為端蓋，中間為兩個星型結構換能器。

仿真的水中發(fā)送電壓響應如圖2，曲線聲取向分別拾取換能器中心和輻射頭中心、換能器中心和輻射頭周向末端與虛線圓相交兩點的結果（見圖2右下示意），-3 dB帶寬為9～13.5 kHz。換能器直徑約φ160 mm，加兩端端蓋總高約140 mm。指向性仿真曲線見圖3。圖中為仿真的 1/12結構的指向性曲線，根據對稱性可得到其它部分的曲線。圖中兩條曲線分別為10 kHz和12 kHz的指向性曲線。-3 dB指向性滿足360°全指向性特性。

圖1 堆疊式星型換能器結構及仿真模型

圖2 堆疊式星型換能器發(fā)送電壓響應

圖3 堆疊式星型換能器指向性

2 實驗測試

根據有限元仿真結果，制作了堆疊式星型柱面換能器實物。輻射頭為硬鋁，陶瓷為PZT4，后質量硬鋁。端蓋采用鈦合金。

2.1 空氣中諧振頻率

圖4為諧振頻率較高一點的星型柱面換能器示意圖。圖5為空氣中測試兩個星型圓柱換能器。兩個諧振峰分別在10.2 kHz和12.4 kHz。

圖4 星型圓柱換能器組裝圖（高頻）

圖5 兩個星型圓柱換能器測試（空氣中）

2.2 水中測試結果

圖6左為堆疊星型圓柱換能器封裝完成后的照片，加安裝端蓋后直徑約φ200 mm，右圖為水中測試照片。

圖6 堆疊星型圓柱換能器

圖7為測試的水中發(fā)射電壓響應。可以看到，圖中曲線與圖2的仿真結果變化趨勢基本一致，輻射頭聲中心的發(fā)射電壓響應在高頻端較高，原因是活塞固有的發(fā)射波束開角和頻率相關，在高頻端，輻射面相對較大，使得高頻端開角變小，造成周向末端方向的發(fā)送電壓響應疊加要小于輻射頭中心方向的值。輻射頭周向末端的發(fā)射電壓響應曲線在8～12 kHz內平緩，在工作頻帶內最高響應在138 dB左右。換能器實測結果的低頻諧振峰比仿真結果低，原因與堆疊結構整體的阻抗加大、灌封及安裝后的結構阻尼加大有關。

圖7 堆疊星型圓柱換能器水中發(fā)射響應

從圖2和圖7對比可看到，在高頻段實測值和仿真結果趨勢是一致的，即兩條發(fā)送電壓響應曲線在高頻端所示的輻射頭中心的響應值逐漸高于周向末端的響應值，但由于實測發(fā)送響應曲線整體向低頻端移動，實測的兩條響應曲線相比于仿真結果在高頻13 kHz以后差別加大。高頻段差別加大的原因是由于兩個換能器堆疊的諧振頻率不同，且周向末端的振幅大于輻射面中心的振幅，二者振動相位的不一致引起差別較大。

圖8為指向性測試曲線，可以看到，換能器在8.5 kHz、12 kHz，-3 dB開角達到了360°，在工作頻段內可實現(xiàn)無指向性的聲發(fā)射。

圖8 堆疊星型圓柱換能器指向性

3 結論

本文的換能器結構和 Butler的多模設計結構基本一致，差別有兩點：

（1）Butler采用8個輻射棒共后質量，且其堆疊是相同尺寸和相同工作頻率的換能器；本文為 6個，換能器有兩個有尺寸，且是由兩個不同諧振頻率的換能器堆疊。

（2）工作方式和目的也不同。Butler是為了實現(xiàn)單指向性發(fā)射，采取不同電壓激勵各堆振幅相位的不一致方式實現(xiàn)單指向性。本文是為了全指向寬帶發(fā)射，采取相同激勵、不同諧振工作頻率的兩個換能器堆疊擴展工作帶寬。

本文設計的基于星型圓柱結構堆疊式的換能器，有限元仿真和實測符合較好，滿足了工作帶寬、指向性及發(fā)射電壓響應要求，可應用于水下聲通信、導航、定位等領域。后續(xù)，本文的換能器亦可研究多模單指向性換能器寬帶發(fā)射問題。