高頻水聲換能器匹配層技術(shù)研究

卞加聰，趙 慧，沈明杰

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

0 引 言

隨著聲吶系統(tǒng)中水聲信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展以及海洋開(kāi)發(fā)的日益深入，高頻聲吶越來(lái)越受到人們的重視[1]。根據(jù)工作要求，高頻聲吶常需要寬頻帶工作來(lái)獲取更多的目標(biāo)信息和提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)效果。高頻寬帶換能器是高頻聲吶信號(hào)產(chǎn)生和獲取的基礎(chǔ)，匹配層技術(shù)是拓展高頻換能器帶寬的有效手段[2-3]。2008年，陜西師范大學(xué)李珺等[4]通過(guò)理論和仿真計(jì)算了雙匹配層參數(shù)對(duì)換能器帶寬的影響；2013年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所童暉等[1]研制一款單匹配層寬帶換能器，帶內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)起伏為-3 dB，并在2020年研制了一款寬帶圓柱陣，其工作頻帶為20～30 kHz，帶內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)起伏為-3 dB[5]；2020年，上海材料研究所張浩等[6]通過(guò)三層匹配層和背襯的設(shè)計(jì)方案研制了中心頻率為 2.95 MHz，-6 dB相對(duì)帶寬約為83.2%的醫(yī)用相控陣換能器。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)單層和雙層匹配層水聲換能器的研究頗多，但對(duì)于三層匹配層水聲換能器的研究還甚少。

因此，本文通過(guò)聲波透射理論、Mason等效電路解析計(jì)算和有限元仿真對(duì)單層、雙層和三層匹配層換能器進(jìn)行了理論研究，在此基礎(chǔ)上研制了三種高頻寬帶水聲換能器，滿(mǎn)足了水聲換能器寬頻帶下的工作需求。

1 寬帶換能器設(shè)計(jì)

寬帶換能器主要是由背襯、壓電陶瓷、匹配層和水密透聲層組成。為了實(shí)現(xiàn)壓電材料和水之間的阻抗過(guò)渡以滿(mǎn)足寬頻帶的工作需求，一方面可以對(duì)壓電陶瓷材料進(jìn)行切割制作成復(fù)合材料，另一方面可以選擇單層或者多層匹配層對(duì)壓電材料進(jìn)行匹配。本文將采用以上方式研制工作中心頻率為100 kHz左右的不同寬頻帶的高頻寬帶水聲換能器，換能器水中示意圖如圖1所示，圖中虛線(xiàn)框?yàn)閾Q能器結(jié)構(gòu)。

圖1 換能器水中示意圖Fig.1 Schematic diagram of the transducer in water

1.1 匹配層聲透射原理

匹配內(nèi)聲波透視示意圖如圖2所示。最基本的三層材料匹配理論的物理基礎(chǔ)是聲波的反射和透射理論(平面波垂直入射的情況)，結(jié)合波動(dòng)方程和邊界條件的方法得到匹配層的聲強(qiáng)透射系數(shù)[7]：

圖2 匹配層內(nèi)聲波透射示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound wave transmission in matching layers

其中：μ代表一共有幾層媒質(zhì)(包括壓電材料和水)，v代表第幾層媒質(zhì)，Zv,μ代表的是μ層媒質(zhì)中的第v層媒質(zhì)的聲特性阻抗。

1.2 匹配層材料的選取和研制

本文均采用 PZT4壓電陶瓷制作中心頻率為100 kHz左右的高頻寬帶水聲換能器。為了使壓電陶瓷與水有較好的匹配，采用1-3型復(fù)合壓電陶瓷材料是一種常用的有效途徑。1-3型復(fù)合材料一方面減少了橫向振動(dòng)，使縱向振動(dòng)模式變得更加純凈；另一方面可獲得較低的聲阻抗、較寬的帶寬和低機(jī)械品質(zhì)因素等性能。

本文將采用對(duì) PZT材料切割填充環(huán)氧樹(shù)脂的方式來(lái)制作壓電復(fù)合材料，制作的壓電復(fù)合材料的聲特性阻抗為 17 Pa·s·m-1，負(fù)載為水，根據(jù)式(2)可以推導(dǎo)出單層、雙層、三層匹配層對(duì)應(yīng)的聲特性阻抗值，根據(jù)理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)際研制出了與理論較為接近的實(shí)際匹配層材料的參數(shù)，如表1所示。

1.3 多種匹配層換能器仿真設(shè)計(jì)

本文根據(jù)設(shè)計(jì)好的匹配層參數(shù)對(duì)單匹配層、雙匹配層、三匹配層高頻水聲換能器的水中聲強(qiáng)透射系數(shù)進(jìn)行了有限元仿真分析。圖3是水中的換能器模型。

圖3 水中的換能器模型圖Fig.3 The model of the transducer in water

如圖4所示，通過(guò)有限元仿真對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，不同匹配層換能器水中聲強(qiáng)的半功率帶寬的大小關(guān)系為：三層匹配層＞兩層匹配層＞一層匹配層，滿(mǎn)足了不同頻帶的性能要求。

圖4 匹配層換能器水中聲強(qiáng)透射系數(shù)Fig.4 The energy transmission coefficient of the transducer with matching layers

1.4 多種匹配層換能器等效電路

由于壓電復(fù)合材料和水之間的阻抗失配比較明顯，為了滿(mǎn)足換能器不同寬頻帶的性能要求，常制作成單匹配層或者多匹配層換能器。所得到的匹配層壓電復(fù)合材料換能器的靜態(tài)特性如等效導(dǎo)納譜等，可采用等效電路計(jì)算。其中的Mason等效電路分析和計(jì)算，可采用復(fù)合壓電方程，導(dǎo)出考慮損耗的匹配層壓電復(fù)合材料振動(dòng)Mason等效電路，由此計(jì)算的等效導(dǎo)納更接近實(shí)際情況[9-10]。

單層、雙層和三層匹配層換能器的振動(dòng)Mason等效電路可由推導(dǎo)給出，如圖5所示。圖5中虛線(xiàn)框內(nèi)為無(wú)源材料匹配層的等效電路，可根據(jù)所需要的匹配層的數(shù)量來(lái)增加或者減少匹配層。

圖5 多匹配層換能器等效電路Fig.5 Mason equivalent circuit of the transducer with multimatching layers

等效電路參數(shù)及其意義分別說(shuō)明如下：

其中，C0、n、ρ、v、S、k、t分別為晶片的靜態(tài)電容、機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)、密度、聲速、橫截面積、波數(shù)和厚度，ρi、vi、Si、ki、ti分別為第i層匹配層的密度、聲速、橫截面積、波數(shù)和厚度，ρw、vw分別為水的密度、聲速。自由振動(dòng)時(shí)，認(rèn)為兩個(gè)力學(xué)端短路，可以計(jì)算換能器的導(dǎo)納特性。

2 多種匹配層換能器樣品研制與測(cè)試

根據(jù)換能器不同寬頻帶的實(shí)際需求并結(jié)合聲透射理論、Mason等效電路和有限元仿真設(shè)計(jì)研制了三種類(lèi)型的高頻寬帶水聲換能器：?jiǎn)纹ヅ鋵訐Q能器、雙匹配層換能器和三匹配層換能器。

2.1 換能器電導(dǎo)譜

通過(guò) Mason等效電路和有限元仿真對(duì)三種類(lèi)型的高頻寬帶換能器進(jìn)行了水中導(dǎo)納曲線(xiàn)的模擬計(jì)算、分析并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在著一定的差異，初步分析是匹配層的實(shí)際參數(shù)與仿真和等效電路模擬參數(shù)存在偏差所致。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，隨著匹配層數(shù)量的增加，其對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)響應(yīng)工作頻帶也隨之增加，分別為 73～135 kHz，70～153 kHz和 63～158 kHz。

圖6 通過(guò)有限元仿真、等效電路分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的三種類(lèi)型換能器電導(dǎo)譜Fig.6 Conductivity spectrum of three types of transducers obtained by finite element simulation, equivalent circuit analysis and experimental measurement

2.2 換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)

經(jīng)有限元仿真和實(shí)際測(cè)試的三種寬帶換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示。單層、雙層和三層匹配層換能器的最大發(fā)送電壓響應(yīng)分別為140.3、139和 136.7 dB，其工作頻帶分別為 79～150 kHz，74～163 kHz和 66～176kHz，帶內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)起伏為-6 dB。經(jīng)過(guò)計(jì)算，三種換能器的中心頻率分別為114、118和121 kHz，其-6 dB相對(duì)帶寬分別為62%、75%和91%。實(shí)驗(yàn)表明：本文研制的三種類(lèi)型換能器與傳統(tǒng)的中心頻率為320 kHz、-6 dB相對(duì)帶寬為41.2%的單匹配層換能器和中心頻率為 2.95 MHz、-6 dB相對(duì)帶寬為83.2%的帶有背襯的三層匹配層醫(yī)學(xué)超聲換能器相比，相對(duì)帶寬有了明顯的提高。

圖7 有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的三種類(lèi)型換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)Fig.7 Transmitting voltage responses of three types of transducers in water obtained by finite element simulation and experimental measurement

3 結(jié) 論

本文采用聲透射原理計(jì)算了換能器所需的匹配層參數(shù)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研制了和理論較為接近的實(shí)際匹配層材料，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過(guò)有限元仿真計(jì)算了三種類(lèi)型換能器水中聲強(qiáng)透射系數(shù)；其次，通過(guò)Mason等效電路和有限元分析，計(jì)算了三種類(lèi)型換能器水中電導(dǎo)譜，并與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；最后，在此基礎(chǔ)上研制了單層、雙層和三層匹配層換能器，從測(cè)試結(jié)果可知，其工作頻帶分別為 79～150 kHz，74～163 kHz 和 66～176 kHz，帶內(nèi)發(fā)送電壓響應(yīng)起伏為-6 dB。實(shí)驗(yàn)表明，本文研制的三種類(lèi)型換能器突破了傳統(tǒng)換能器帶寬窄的缺點(diǎn)。該工作為實(shí)現(xiàn)寬頻帶換能器在實(shí)際工作中的應(yīng)用提供了方向。