一种用于远距离高分辨率鱼探仪的声基元

张鸿磊 王艳 胡健辉 赵欢

(上海船舶电子设备研究所，上海，201108)

随着世界各国对海洋生物资源的勘探，鱼探仪成为近年来的研究热点。水平鱼探仪具有宽带、高分辨率和远距离工作的优势且多为圆柱阵，可实现水平方向全向探测[1]。纵振子换能器结构简单，易于安装组成圆柱阵，所以鱼探仪声基元多采用该类型换能器。但传统纵振子换能器多为窄带单频工作[2]，节点安装与尾端固定方式不利于圆柱阵拼装和体积的减小，无法满足需求。本文利用电路匹配实现纵振子换能器宽带工作，设计的壳体连接方式可适用于小型化鱼探仪组成圆柱阵时声基元的安装固定。

1 声基元总体设计

1.1 声基元结构

本文设计的纵振子换能器及测试壳体结构见图1。纵振子换能器选用夹心式换能器，通过预应力螺杆连接前盖板、后盖板、压电晶堆及电极片。匹配电路通过四脚塑料支架安装固定于纵振子换能器后盖板。匹配电路的螺杆可以调节线圈数从而改变换能器总体的阻抗值。纵振子换能器利用O型密封圈和金属测试壳体进行水密连接，并通过金属测试壳体内部的圆台型凹槽定位。该种定位结构可适用于小型化鱼探仪圆柱阵成阵时声基元的安装。声基元组成圆柱阵结构示意图如图2 所示。

1.2 纵振子换能器设计

纵振子换能器成阵定位时，一般采用尾端固定、节点固定和头部固定。采用节点固定的方式组成圆柱阵实施较困难；尾端固定不仅增加了基阵的总体质量还加大了基阵内部排线的难度；所以本文选用头部固定的方式进行设计。纵振子换能器前盖板为圆柱加圆台型结构，靠近辐射面一端的圆柱结构设计一个直径为2 mm 的凹槽，用于安装O 型密封圈。金属壳体设计一个圆台型凹槽，用于纵振子换能器的定位。

图1 纵振子换能器及测试壳体结构示意图

图2 声基元组成圆柱阵结构示意图

选用PZT-8 压电陶瓷作为驱动单元，前盖板为铝，后盖板为钢，施加20 kN 压力并用预应力螺杆紧固。有限元仿真模型如图3。

图3 纵振子换能器水中有限元模型

利用有限元软件计算水中纵振子换能器的发送电压响应（图4），换能器中心频率为23.5 kHz， 22～25 kHz 范围内起伏3 dB，在20～30 kHz 范围内起伏9 dB，最大发送电压响应为141 dB。利用有限元软件计算传统纵振子换能器水中发送电压响应验证了其工作带宽较窄的缺点。

图4 纵振子换能器水中发送电压响应

1.3 匹配电路设计

当前对于换能器阻抗匹配的研究多数采用电感电容匹配电路模型[3-6]。国外学者经过研究提出T 型匹配网络[7]和耦合震荡匹配模型[9]来提高能量的传输效率，构建了电感加电容的阻抗动态匹配网络，取得了较好的效果，但是该种形式匹配范围小且调节精度低。本文利用新型“电感-变压器”阻抗匹配模型，可较好的提高调节精度，实现电路与换能器的良好匹配。本文设计匹配电路结构模型如图5 所示，匹配模型先通过变压器调节进行电阻匹配，后通过电感调节实现电抗匹配。

图5 匹配模型电路结构图

计算纵振子换能器电源两端的阻抗：

式中，Z1为电源两端阻抗，Z0为纵振子换能器等效阻抗，ZL为可调电感L 等效阻抗，ZT为可调变压器T 等效阻抗，n1为可调变压器T 的初级线圈数，n2为可调变压器T 的次级线圈数。

为了达到理想匹配，电路模型还需满足式（2）、（3）：

式中，R1为电源两端等效电阻，R0为纵振子换能器等效电阻，C0为纵振子换能器静态电容，LT为可调变压器T 的等效电感，L 为可调电感，w 为角频率。通过调节n1/n2的比值和可调电感的数值，对换能器阻抗进行调节，可保障批量生产换能器阻抗的一致性。

2 不同匹配形式仿真对比

多物理场有限元仿真软件具有声-压电相互作用模块和电路模块，可以用来分析施加电路匹配后换能器的水中声学性能[9]。目前拓展纵振子换能器工作带宽的方式有匹配层匹配、传统LC 电路匹配等。基于有限元软件进行电路与声-压电物理场的耦合功能，并对以上两种方式和本文提出的电路匹配方案进行对比。不同匹配方式换能器水中发送电压响应曲线如图6。

图6 不同匹配方案水中发送电压响应对比

从仿真结果可知，三种匹配方式均可产生两个谐振峰，有效地拓展了纵振子换能器的工作带宽，使换能器在20～30 kHz 范围内工作时起伏变小。利用匹配层方式虽拓展了工作带宽，但换能器的最大发送电压响应为136 dB，与传统的换能器相比损失了6 dB。传统的LC 电路匹配方式将最大发送电压响应提高到150 dB，但20～30 kHz 范围内起伏约8 dB。本文提出的电路匹配方式将纵振子换能器最大发送响应提高到159 dB，同时在20～30 kHz范围内起伏约为4 dB。通过仿真对比，本文设计的匹配方式可以对纵振子换能器声学性能有较大提高。

3 样机制作与测试

为了验证仿真的准确性，制作三个样机进行测试，样机实物如图7。图中实物从左到右依次为传统纵振子换能器、匹配层匹配纵振子换能器和本文设计的含匹配电路纵振子换能器（附加测试壳体）。将三个样机分别在消声水池中进行测试，水中发送电压响应曲线如图8。

图7 样机实物图

图8 样机水中发送电压响应

通过实际测试可知，各样机的测试结果和理论仿真结果基本吻合。传统纵振子换能器谐振频率为23.5 kHz，在20～30 kHz 范围内起伏10 dB，最大发送电压响应为141.6 dB。通过匹配层匹配的纵振子换能器在20～30 kHz 范围内起伏3.3 dB，且最大发送电压响应为137.8 dB。通过本文设计电路匹配后纵振子换能器在20～30 kHz 范围内起伏5.5 dB，且最大发送电压响应为159 dB。

由于实际制作工艺和选材差异导致实际电路匹配结果与仿真结果有所差异。但仍可说明本文利用有限元软件进行多物理场耦合方式和设计的电路匹配方式具有可行性。通过测试结果和仿真结果对比可知，金属壳体与纵振子换能器之间的连接方式没有对换能器性能产生影响，说明该种安装方式可实现换能器与壳体之间的去耦，保证前盖板自由边界条件，同时将换能器固定在壳体中并实现水密功能。

4 结论

本文通过对鱼探仪声基元样机的制作，验证了纵向振子换能器通过电路匹配可以有效的实现宽带、高发送电压响应的声学性能。该种电路匹配的模式可应用于小型化鱼探仪换能器基阵的制作，并可通过调节匹配电路阻抗保证声基元的一致性。同时该种声基元的匹配模式和安装方式对其他类型的圆柱型换能器基阵的制作具有一定的参考意义。