一種用于遠距離高分辨率魚探儀的聲基元

張鴻磊 王艷 胡健輝 趙歡

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108)

隨著世界各國對海洋生物資源的勘探，魚探儀成為近年來的研究熱點。水平魚探儀具有寬帶、高分辨率和遠距離工作的優(yōu)勢且多為圓柱陣，可實現(xiàn)水平方向全向探測[1]?？v振子換能器結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝組成圓柱陣，所以魚探儀聲基元多采用該類型換能器。但傳統(tǒng)縱振子換能器多為窄帶單頻工作[2]，節(jié)點安裝與尾端固定方式不利于圓柱陣拼裝和體積的減小，無法滿足需求。本文利用電路匹配實現(xiàn)縱振子換能器寬帶工作，設(shè)計的殼體連接方式可適用于小型化魚探儀組成圓柱陣時聲基元的安裝固定。

1 聲基元總體設(shè)計

1.1 聲基元結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的縱振子換能器及測試殼體結(jié)構(gòu)見圖1?？v振子換能器選用夾心式換能器，通過預(yù)應(yīng)力螺桿連接前蓋板、后蓋板、壓電晶堆及電極片。匹配電路通過四腳塑料支架安裝固定于縱振子換能器后蓋板。匹配電路的螺桿可以調(diào)節(jié)線圈數(shù)從而改變換能器總體的阻抗值。縱振子換能器利用O型密封圈和金屬測試殼體進行水密連接，并通過金屬測試殼體內(nèi)部的圓臺型凹槽定位。該種定位結(jié)構(gòu)可適用于小型化魚探儀圓柱陣成陣時聲基元的安裝。聲基元組成圓柱陣結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1.2 縱振子換能器設(shè)計

縱振子換能器成陣定位時，一般采用尾端固定、節(jié)點固定和頭部固定。采用節(jié)點固定的方式組成圓柱陣實施較困難；尾端固定不僅增加了基陣的總體質(zhì)量還加大了基陣內(nèi)部排線的難度；所以本文選用頭部固定的方式進行設(shè)計?？v振子換能器前蓋板為圓柱加圓臺型結(jié)構(gòu)，靠近輻射面一端的圓柱結(jié)構(gòu)設(shè)計一個直徑為2 mm 的凹槽，用于安裝O 型密封圈。金屬殼體設(shè)計一個圓臺型凹槽，用于縱振子換能器的定位。

圖1 縱振子換能器及測試殼體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 聲基元組成圓柱陣結(jié)構(gòu)示意圖

選用PZT-8 壓電陶瓷作為驅(qū)動單元，前蓋板為鋁，后蓋板為鋼，施加20 kN 壓力并用預(yù)應(yīng)力螺桿緊固。有限元仿真模型如圖3。

圖3 縱振子換能器水中有限元模型

利用有限元軟件計算水中縱振子換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)（圖4），換能器中心頻率為23.5 kHz， 22～25 kHz 范圍內(nèi)起伏3 dB，在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏9 dB，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為141 dB。利用有限元軟件計算傳統(tǒng)縱振子換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)驗證了其工作帶寬較窄的缺點。

圖4 縱振子換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)

1.3 匹配電路設(shè)計

當前對于換能器阻抗匹配的研究多數(shù)采用電感電容匹配電路模型[3-6]。國外學(xué)者經(jīng)過研究提出T 型匹配網(wǎng)絡(luò)[7]和耦合震蕩匹配模型[9]來提高能量的傳輸效率，構(gòu)建了電感加電容的阻抗動態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)，取得了較好的效果，但是該種形式匹配范圍小且調(diào)節(jié)精度低。本文利用新型“電感-變壓器”阻抗匹配模型，可較好的提高調(diào)節(jié)精度，實現(xiàn)電路與換能器的良好匹配。本文設(shè)計匹配電路結(jié)構(gòu)模型如圖5 所示，匹配模型先通過變壓器調(diào)節(jié)進行電阻匹配，后通過電感調(diào)節(jié)實現(xiàn)電抗匹配。

圖5 匹配模型電路結(jié)構(gòu)圖

計算縱振子換能器電源兩端的阻抗：

式中，Z1為電源兩端阻抗，Z0為縱振子換能器等效阻抗，ZL為可調(diào)電感L 等效阻抗，ZT為可調(diào)變壓器T 等效阻抗，n1為可調(diào)變壓器T 的初級線圈數(shù)，n2為可調(diào)變壓器T 的次級線圈數(shù)。

為了達到理想匹配，電路模型還需滿足式（2）、（3）：

式中，R1為電源兩端等效電阻，R0為縱振子換能器等效電阻，C0為縱振子換能器靜態(tài)電容，LT為可調(diào)變壓器T 的等效電感，L 為可調(diào)電感，w 為角頻率。通過調(diào)節(jié)n1/n2的比值和可調(diào)電感的數(shù)值，對換能器阻抗進行調(diào)節(jié)，可保障批量生產(chǎn)換能器阻抗的一致性。

2 不同匹配形式仿真對比

多物理場有限元仿真軟件具有聲-壓電相互作用模塊和電路模塊，可以用來分析施加電路匹配后換能器的水中聲學(xué)性能[9]。目前拓展縱振子換能器工作帶寬的方式有匹配層匹配、傳統(tǒng)LC 電路匹配等?；谟邢拊浖M行電路與聲-壓電物理場的耦合功能，并對以上兩種方式和本文提出的電路匹配方案進行對比。不同匹配方式換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)曲線如圖6。

圖6 不同匹配方案水中發(fā)送電壓響應(yīng)對比

從仿真結(jié)果可知，三種匹配方式均可產(chǎn)生兩個諧振峰，有效地拓展了縱振子換能器的工作帶寬，使換能器在20～30 kHz 范圍內(nèi)工作時起伏變小。利用匹配層方式雖拓展了工作帶寬，但換能器的最大發(fā)送電壓響應(yīng)為136 dB，與傳統(tǒng)的換能器相比損失了6 dB。傳統(tǒng)的LC 電路匹配方式將最大發(fā)送電壓響應(yīng)提高到150 dB，但20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏約8 dB。本文提出的電路匹配方式將縱振子換能器最大發(fā)送響應(yīng)提高到159 dB，同時在20～30 kHz范圍內(nèi)起伏約為4 dB。通過仿真對比，本文設(shè)計的匹配方式可以對縱振子換能器聲學(xué)性能有較大提高。

3 樣機制作與測試

為了驗證仿真的準確性，制作三個樣機進行測試，樣機實物如圖7。圖中實物從左到右依次為傳統(tǒng)縱振子換能器、匹配層匹配縱振子換能器和本文設(shè)計的含匹配電路縱振子換能器（附加測試殼體）。將三個樣機分別在消聲水池中進行測試，水中發(fā)送電壓響應(yīng)曲線如圖8。

圖7 樣機實物圖

圖8 樣機水中發(fā)送電壓響應(yīng)

通過實際測試可知，各樣機的測試結(jié)果和理論仿真結(jié)果基本吻合。傳統(tǒng)縱振子換能器諧振頻率為23.5 kHz，在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏10 dB，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為141.6 dB。通過匹配層匹配的縱振子換能器在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏3.3 dB，且最大發(fā)送電壓響應(yīng)為137.8 dB。通過本文設(shè)計電路匹配后縱振子換能器在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏5.5 dB，且最大發(fā)送電壓響應(yīng)為159 dB。

由于實際制作工藝和選材差異導(dǎo)致實際電路匹配結(jié)果與仿真結(jié)果有所差異。但仍可說明本文利用有限元軟件進行多物理場耦合方式和設(shè)計的電路匹配方式具有可行性。通過測試結(jié)果和仿真結(jié)果對比可知，金屬殼體與縱振子換能器之間的連接方式?jīng)]有對換能器性能產(chǎn)生影響，說明該種安裝方式可實現(xiàn)換能器與殼體之間的去耦，保證前蓋板自由邊界條件，同時將換能器固定在殼體中并實現(xiàn)水密功能。

4 結(jié)論

本文通過對魚探儀聲基元樣機的制作，驗證了縱向振子換能器通過電路匹配可以有效的實現(xiàn)寬帶、高發(fā)送電壓響應(yīng)的聲學(xué)性能。該種電路匹配的模式可應(yīng)用于小型化魚探儀換能器基陣的制作，并可通過調(diào)節(jié)匹配電路阻抗保證聲基元的一致性。同時該種聲基元的匹配模式和安裝方式對其他類型的圓柱型換能器基陣的制作具有一定的參考意義。