水下超聲換能器陣引線(xiàn)串?dāng)_問(wèn)題研究

陸千一

（江蘇科技大學(xué) 海洋學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

換能器是一種實(shí)現(xiàn)電學(xué)信號(hào)和力學(xué)信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的傳感器。水下超聲換能器通常用來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸、通信和水下目標(biāo)檢測(cè)、超聲成像等工作［1］。

換能器陣是由多個(gè)換能器以一定的形式排列而成的陣列。換能器陣中的每個(gè)換能器稱(chēng)為基元或陣元。換能器陣的束控對(duì)各基元上的電壓（或電流）的幅度和相位進(jìn)行控制，就可控制整個(gè)陣的指向性［2］。

換能器陣的各個(gè)陣元通過(guò)引線(xiàn)將電極引出，與外部信號(hào)電路連通，實(shí)現(xiàn)陣元的電學(xué)信號(hào)激勵(lì)［3-4］。通過(guò)外部電路對(duì)換能器陣的陣元進(jìn)行電學(xué)信號(hào)加載，再通過(guò)換能器中核心壓電材料的電聲轉(zhuǎn)換作用，使換能器陣元產(chǎn)生高頻振動(dòng)信號(hào)，高頻振動(dòng)信號(hào)在水下介質(zhì)中傳播時(shí)，就產(chǎn)生了超聲波和振動(dòng)聲場(chǎng)。

超聲換能器陣的陣元聲場(chǎng)指向性對(duì)其水下探測(cè)、聲學(xué)檢測(cè)及成像非常重要。若陣元在非控制偏轉(zhuǎn)的情況下發(fā)生發(fā)射聲場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，會(huì)引起陣列聲場(chǎng)的紊亂，影響檢測(cè)效果［5］。

本文通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一結(jié)構(gòu)的超聲換能器陣，由于引線(xiàn)方式和尺寸的不同，會(huì)引起陣列換能器各陣元之間形成高水平串?dāng)_，從而引起換能器陣元水下脈沖回波信號(hào)的差異。

1 換能器陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真

本文研究了一種-6 dB 頻率范圍為5～9 MHz，陣元數(shù)為128 的陣列式線(xiàn)陣換能器。根據(jù)換能器陣列各陣元的設(shè)計(jì)尺寸和主動(dòng)孔徑成像需求，換能器陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 超聲換能器陣列核心結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)各陣元的高靈敏度和大帶寬，本工作中線(xiàn)陣換能器采用多層匹配層透聲設(shè)計(jì)。透聲層的聲學(xué)性能基于KLM 等效電路模型進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。具體的計(jì)算如式（1）所示，與所用壓電材料的聲學(xué)性能及工作介質(zhì)水的聲學(xué)性能存在關(guān)系：

式中：Z1L為第一層匹配層的聲學(xué)阻抗率，ZL2為第二層匹配層的聲學(xué)阻抗率，z0為壓電層材料的聲學(xué)阻抗率，1z為背襯層材料的聲學(xué)阻抗率，z2為介質(zhì)水的聲學(xué)阻抗率。

換能器陣列具體的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 換能器陣列聲學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

換能器陣的表面用一層硅橡膠進(jìn)行包裹，對(duì)陣元水下工作性能絕緣防水保護(hù)之外，硅橡膠的弧度也對(duì)陣元的主動(dòng)孔徑發(fā)射聲場(chǎng)性能聚焦效應(yīng)。根據(jù)上文提到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作了相同結(jié)構(gòu)下兩種引線(xiàn)長(zhǎng)度的換能器陣列，如圖2 所示。

圖2 同一結(jié)構(gòu)兩種引線(xiàn)方案的超聲換能器陣列

2 不同引線(xiàn)方案陣列換能器串?dāng)_水平對(duì)比討論

本文討論如圖1 所示的相同結(jié)構(gòu)下超聲換能器陣列在不同F(xiàn)PC 引線(xiàn)方案下陣元信號(hào)和串?dāng)_的影響情況。本文采用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)相鄰陣元之間的串?dāng)_進(jìn)行研究，對(duì)比了圖2 兩種引線(xiàn)方式下?lián)Q能器的相鄰陣元串?dāng)_水平。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的可比性，在測(cè)試過(guò)程中，對(duì)兩種換能器的相同序號(hào)陣元進(jìn)行串?dāng)_對(duì)比，所取陣元號(hào)如表2 所示。

表2 串?dāng)_測(cè)試所取陣元對(duì)應(yīng)表

為了對(duì)比該結(jié)構(gòu)換能器在工作頻率附近各頻率點(diǎn)下的串?dāng)_情況，本文選取了1～20 MHz 頻域范圍進(jìn)行串?dāng)_水平研究。測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

其中，圖3（a）為圖2 中短引線(xiàn)方案換能器的串?dāng)_水平曲線(xiàn)，圖3（b）為圖2 中長(zhǎng)引線(xiàn)方案換能器的串?dāng)_水平曲線(xiàn)。從圖3 可以看出，當(dāng)換能器陣列核心結(jié)構(gòu)保持不變，只改變引線(xiàn)方案和距離，對(duì)換能器之間的串?dāng)_產(chǎn)生了很大的影響作用。

圖3 同一結(jié)構(gòu)不同引線(xiàn)方案的相鄰陣元串?dāng)_水平

3 不同引線(xiàn)方案陣列換能器水下脈沖回波信號(hào)對(duì)比討論

本文采用脈沖信號(hào)發(fā)生器對(duì)超聲換能器陣列單獨(dú)陣元進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，通過(guò)水下平面反射靶對(duì)換能器的發(fā)射聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行一定水深距離下的聲學(xué)回波反射，并采用示波器對(duì)反射回波進(jìn)行讀取測(cè)量和頻率傅里葉轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)單個(gè)陣元的脈沖回波幅值Vpp、時(shí)域信號(hào)脈沖寬度T20、頻域曲線(xiàn)的中心頻率和-6 dB 頻帶寬度等特征指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)相同結(jié)構(gòu)超聲換能器不同引線(xiàn)方案下的水下聲電性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比，測(cè)試波形如圖4 所示。

圖4 不同引線(xiàn)方案下陣元脈沖回波信號(hào)對(duì)比

其特征參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 不同引線(xiàn)方案下陣元脈沖回波性能指標(biāo)對(duì)比

從對(duì)比結(jié)果可以看出，不同引線(xiàn)方案的超聲換能器陣列對(duì)換能器各陣元之間的性能影響不僅表現(xiàn)在相鄰陣元之間的串?dāng)_水平變化，還表現(xiàn)在同一陣元水下脈沖回波指標(biāo)的變化。從表3 的對(duì)比結(jié)果可以看出，由于引線(xiàn)距離變長(zhǎng)，使得其靈敏度下降了6.5 dB 以上，脈沖寬度降低了250 ns 左右。

4 將長(zhǎng)引線(xiàn)方案換能器陣列引線(xiàn)通路做屏蔽處理的結(jié)果討論

為了降低因陣元引線(xiàn)變長(zhǎng)引起的陣元信號(hào)的負(fù)面影響，本研究將長(zhǎng)引線(xiàn)柔性電路板兩面貼附導(dǎo)電銅箔，實(shí)現(xiàn)引線(xiàn)通路上的電學(xué)屏蔽。處理結(jié)果如圖5 所示。

圖5 長(zhǎng)引線(xiàn)方案進(jìn)行銅箔屏蔽處理

屏蔽處理之后，進(jìn)一步測(cè)試對(duì)比了兩種狀態(tài)下的串?dāng)_水平和聲性能結(jié)果。結(jié)果對(duì)比如圖6 所示。

從圖6 的對(duì)比結(jié)果可以看出，長(zhǎng)引線(xiàn)在未增加銅箔屏蔽的情況下，聲學(xué)信號(hào)明顯偏低，頻譜中間出現(xiàn)凹坑現(xiàn)象；當(dāng)長(zhǎng)引線(xiàn)方案的柔性板粘貼銅箔進(jìn)行屏蔽之后，從圖6（c）可以看出，其相鄰陣元串?dāng)_水平最高可以提升20 dB，陣元的脈沖回波信號(hào)也得到了很好的改善，如圖6（b）所示。

圖6 長(zhǎng)引線(xiàn)方案下陣元回波性能和串?dāng)_對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)具有相同核心結(jié)構(gòu)的線(xiàn)陣超聲陣列換能器在不同引線(xiàn)方案下的串?dāng)_水平和聲學(xué)脈沖回波性能進(jìn)行研究討論，發(fā)現(xiàn)當(dāng)陣列超聲換能器引線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，即使換能器陣列的核心結(jié)構(gòu)相差不大，其性能仍存在明顯變化。當(dāng)長(zhǎng)引線(xiàn)方案中的引線(xiàn)部分通過(guò)一層導(dǎo)電銅箔的貼附進(jìn)行電學(xué)屏蔽之后，該方案的陣元脈沖回波信號(hào)得到了明顯改善，其陣元串?dāng)_水平提升了10～20 dB。本文的研究能夠?qū)σ恍╆嚵袚Q能器需要長(zhǎng)引線(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景中改善換能器陣元的性能提供參考作用。