对置式宽带宽波束换能器

刘慧生,吴 彤,杨荣耀

(1.中国科学院声学研究所 海洋声学技术实验室，北京 100190；2.北京海洋声学装备工程技术研究中心，北京 100190)

0 引言

宽波束换能器广泛应用于水下声通讯、导航、声学模拟器等领域[1-3]。常见的宽波束换能器有压电球壳、压电圆管和组阵、压电复合成型的球冠、圆弧面等结构形式[4-8]。单一的压电球壳、圆管结构声发射响应较低，组阵结构的尺寸、质量相对较大，而压电复合材料和PVDF材料发射换能器工作频率较高，常见的工作范围从几百千赫兹至几兆赫兹，更高的工作频率多用于医疗超声领域。常规导航、通讯等水声换能器优选工作频率一般小于30 kHz，兼顾作用距离和传输效率。宽带发射换能器相比窄带换能器具有传输信息量大和传输速率更快，信号保真性高、编码丰富、抗干扰性、保密性好等优点。宽波束发射换能器具有更大的声场覆盖范围特性。小尺寸的宽带宽波束换能器在声通讯、目标探测、声对抗等方面有广泛需求：如在水下AUV、UUV设备，以及水下网络通讯组网方面。小型化、大功率、宽带、宽波束等多声学指标换能器，因其各指标参数的相互制约而成为研究的一个难点。常规复合棒换能器因结构简单，工作范围覆盖几百赫兹到几十千赫兹，宽带实现方法多，易成阵等特点而被广泛使用。复合棒换能器宽带实现方式包括多模耦合，匹配层，分布激励，相位变换，新材料，复合结构等[9-10]。在宽波束方面，根据换能器尺寸和波长一般规律可知，复合棒换能器在相同工作频率下，减小辐射头尺寸可增大波束开角，但将导致带宽减小,声发射响应降低[11]。一种小辐射头纵弯耦合结构换能器一定程度上兼顾了宽带和宽波束要求，但在工作频带内随着工作频率升高，波束开角呈减小趋势[12]。单一复合棒换能器难以实现更大的波束开角。因此，在此宽带、宽波束纵弯复合棒换能器研究基础上，本文提出了一种对置式结构来实现水平径向360°宽波束的宽带声学性能，同时其兼具小尺寸、大功率的特点，以便应用于小型AUV、UUV设备和水下组网通讯等方面。

1 换能器有限元建模

文献[12]中,复合棒换能器基本尺寸：压电陶瓷PZT-4尺寸为∅30 mm×∅9 mm×5 mm，共8片;碗形辐射头厚7 mm，碗深10 mm，辐射面小端直径∅36 mm，碗口外直径∅62 mm，内直径∅50 mm;后质量块外径∅46 mm，其中圆筒部分壁厚4 mm，高35 mm，后部高度15 mm，外壳外径∅62 mm，壁厚6 mm，高53 mm。

仿真中共涉及3个二维轴对称有限元模型，分别为单个换能器模型，对置换能器模型和添加障板的对置换能器模型。图1为二维的单个换能器模型和添加障板的对置换能器模型。图中，硬铝碗形辐射头质量较小，作为声辐射的主要工作面。压电陶瓷PZT-4为结构振动的激励单元。黄铜后质量块比前辐射头质量大，根据动量守恒原理，使前辐射头方向获得较大振速，增加声辐射。不锈钢外壳为换能器提供定位支撑，为实现大功率声发射的空气背衬结构提供耐水压结构。金属障板用于调节声场辐射方向、相位等。水作为声辐射传递的媒介。障板的半径为r，厚为h，障板和辐射头距离为d(无障板时为对置辐射头间距离的1/2)。模型中忽略水密橡胶、电缆、支撑绝缘块等。轴向所在的圆周面为方向性仿真面。

2 换能器声性能仿真

采用有限元方法分别对3种结构的换能器进行声学性能仿真，主要包括发送电压响应(TVR)轴向平面10 kHz、14 kHz、19 kHz的方向性特性和对应频率时加障板对置结构的声压级图。

2.1 发送电压响应(TVR)

单个换能器模型仿真的发送电压响应如图2所示。由图可知，在13～19 kHz时，轴向的TVR大于138 dB；辐射头平面所在的径向方向，TVR约为135 dB。径向TVR比轴向TVR约低3～6 dB。图中曲线平坦，轴向-3 dB带宽约7 kHz，径向-3 dB带宽约9 kHz。轴向和径向仿真曲线都有2个谐振峰，径向的2个峰值之间凹谷相对明显，更易分辨，其中14 kHz附近为纵振动峰，19 kHz附近为辐射头弯曲振动峰。TVR响应曲线体现了该复合棒结构利用纵弯原理实现带宽拓展的思想。

对置无障板结构选取参数d的2个较优值4 mm和13 mm(d=2 mm，换能器对置距离为4 mm时，径向TVR最大凹谷处值为104 dB，图中未画出。)，仿真TVR曲线如图3所示。

图3中两虚线表示换能器对置距离的1/2。当d=4 mm，频率在13～19 kHz时，轴向响应曲线比径向响应曲线高3 dB。当d=13 mm时，响应曲线如图3中两实线所示。在10 kHz以上，径向TVR高于轴向TVR。同时对比2个d参数同方向的TVR发现，d=13 mm时轴向频响曲线比d=4 mm时低，且带内波动变大。对比二者的径向TVR可见，d=4 mm比d=13 mm时的曲线带宽更宽；在9～14.5 kHz，d=13 mm的TVR值低于d=4 mm时的TVR值，在14.5～22 kHz，d=13 mm的TVR值高于d=4 mm时的TVR值。采用对置结构后，对置距离对轴向和径向TVR值及带内起伏波动大小影响明显，调节对置距离会出现径向TVR值大于轴向TVR值。

图4为对置换能器中间添加不锈钢障板，优选尺寸∅100 mm×7 mm，选取d=4 mm,r=50 mm,h=7 mm时的仿真TVR。由图可见，轴向和径向两个方向曲线都较平坦，在12～19 kHz，由于障板的作用，轴向TVR降低，使径向TVR高于轴向TVR。同时，其轴向TVR与图2、3的两个结构仿真结果相比，带宽增大，在高频20～22 kHz频响曲线未降低。两个对置结构中有个显著的共同点，即在20～21 kHz内径向响应曲线有个较大的凹谷，降低约20 dB。相比无障板对置结构，添加障板对置结构对TVR曲线的带内波动有更好的调节作用，有利于带宽的拓展。

2.2 方向性特性

图5～7为3个结构换能器在3个频点(10 kHz、14 kHz、18 kHz)的指向性曲线(方向性平面如前所述)，其中对置时的参数d=4 mm，障板尺寸同前。

由图5可知，10 kHz时单个换能器有较强的指向性，而对置结构表现为无指向性。加障板对置结构的指向性图相比无障板对置结构更接近于圆形。

由图6可看出，频率升高到14 kHz后，单指向性结构的波束开角相比其10 kHz时减小。两种对置结构的指向性形状为四瓣结构，无障板结构圆周向稍小，而有障板结构四瓣更对称。从0°方向看，无障板结构开角约72°，而有障板结构周向开角为60°。障板结构的增加使径向波束开角明显减小，即采用障板后可获得良好的径向TVR曲线带宽，但波束开角减小。

由图7可看出，单指向性换能器前后端幅值基本接近，而前端波束开角对照低频明显减小。无障板对置结构径向-3 dB开角约为88°，有障板对置结构径向-3 dB开角约为80°，±30°指向性曲线变化在-1 dB内，开角随频率增大而并未减小。

对置有障板结构换能器模型10 kHz、14 kHz、18 kHz声压级仿真结果如图8～10所示。其中白色圆弧内为建模模型内声压级，白圆弧外为远场声压级。

相比图5～7中关于对置有障板结构指向性图方式，图8～10声压级云图方式更直观地体现了该结构空间波束分布情况。

3 结束语

由以上仿真结果可得，采用两个同结构换能器对置方式，在工作带宽内可实现水平径向波束的360°全覆盖。与无障板结构相比，有障板的结构波束开角减小，在14 kHz约小12°，18 kHz约小8°。但由于无障板可调节参数只有距离d，当d=4 mm时，其轴向TVR曲线比径向高；而增加障板可增加更多调节参数，如障板半径、厚度，甚至材料、形状等。当d=4 mm时，障板降低了轴向TVR曲线值，同时使其轴向带宽得到扩展。

本文提出了一种对置结构换能器，对其TVR和指向性进行有限元优化仿真，在11～19 kHz，有障板结构径向TVR大于轴向TVR，并利用径向声场的对称性，实现了径向波束的360°全覆盖。换能器具有宽带宽、宽波束、较大功率、小体积、小质量的特点，可应用于水下通信及避障，水声对抗等方面。该宽带宽、宽波束解决方案，提供了一种安装于小型AUV和UUV设备上，且对体积和质量有要求的新思路。