水下超声换能器阵引线串扰问题研究

陆千一

（江苏科技大学 海洋学院，江苏 镇江 212100）

0 引言

换能器是一种实现电学信号和力学信号相互转换的传感器。水下超声换能器通常用来进行信号传输、通信和水下目标检测、超声成像等工作［1］。

换能器阵是由多个换能器以一定的形式排列而成的阵列。换能器阵中的每个换能器称为基元或阵元。换能器阵的束控对各基元上的电压（或电流）的幅度和相位进行控制，就可控制整个阵的指向性［2］。

换能器阵的各个阵元通过引线将电极引出，与外部信号电路连通，实现阵元的电学信号激励［3-4］。通过外部电路对换能器阵的阵元进行电学信号加载，再通过换能器中核心压电材料的电声转换作用，使换能器阵元产生高频振动信号，高频振动信号在水下介质中传播时，就产生了超声波和振动声场。

超声换能器阵的阵元声场指向性对其水下探测、声学检测及成像非常重要。若阵元在非控制偏转的情况下发生发射声场的偏转，会引起阵列声场的紊乱，影响检测效果［5］。

本文通过研究发现，对于同一结构的超声换能器阵，由于引线方式和尺寸的不同，会引起阵列换能器各阵元之间形成高水平串扰，从而引起换能器阵元水下脉冲回波信号的差异。

1 换能器阵的结构设计与性能仿真

本文研究了一种-6 dB 频率范围为5～9 MHz，阵元数为128 的阵列式线阵换能器。根据换能器阵列各阵元的设计尺寸和主动孔径成像需求，换能器阵列的结构设计如图1 所示。

图1 超声换能器阵列核心结构图

为了实现各阵元的高灵敏度和大带宽，本工作中线阵换能器采用多层匹配层透声设计。透声层的声学性能基于KLM 等效电路模型进行计算和设计。具体的计算如式（1）所示，与所用压电材料的声学性能及工作介质水的声学性能存在关系：

式中：Z1L为第一层匹配层的声学阻抗率，ZL2为第二层匹配层的声学阻抗率，z0为压电层材料的声学阻抗率，1z为背衬层材料的声学阻抗率，z2为介质水的声学阻抗率。

换能器阵列具体的设计参数如表1 所示。

表1 换能器阵列声学设计参数

换能器阵的表面用一层硅橡胶进行包裹，对阵元水下工作性能绝缘防水保护之外，硅橡胶的弧度也对阵元的主动孔径发射声场性能聚焦效应。根据上文提到的结构设计，制作了相同结构下两种引线长度的换能器阵列，如图2 所示。

图2 同一结构两种引线方案的超声换能器阵列

2 不同引线方案阵列换能器串扰水平对比讨论

本文讨论如图1 所示的相同结构下超声换能器阵列在不同FPC 引线方案下阵元信号和串扰的影响情况。本文采用网络分析仪对相邻阵元之间的串扰进行研究，对比了图2 两种引线方式下换能器的相邻阵元串扰水平。为了保持数据的可比性，在测试过程中，对两种换能器的相同序号阵元进行串扰对比，所取阵元号如表2 所示。

表2 串扰测试所取阵元对应表

为了对比该结构换能器在工作频率附近各频率点下的串扰情况，本文选取了1～20 MHz 频域范围进行串扰水平研究。测试结果如图3 所示。

其中，图3（a）为图2 中短引线方案换能器的串扰水平曲线，图3（b）为图2 中长引线方案换能器的串扰水平曲线。从图3 可以看出，当换能器阵列核心结构保持不变，只改变引线方案和距离，对换能器之间的串扰产生了很大的影响作用。

图3 同一结构不同引线方案的相邻阵元串扰水平

3 不同引线方案阵列换能器水下脉冲回波信号对比讨论

本文采用脉冲信号发生器对超声换能器阵列单独阵元进行信号激励，通过水下平面反射靶对换能器的发射声学信号进行一定水深距离下的声学回波反射，并采用示波器对反射回波进行读取测量和频率傅里叶转换，通过对单个阵元的脉冲回波幅值Vpp、时域信号脉冲宽度T20、频域曲线的中心频率和-6 dB 频带宽度等特征指标进行对比，对相同结构超声换能器不同引线方案下的水下声电性能进行评价和对比，测试波形如图4 所示。

图4 不同引线方案下阵元脉冲回波信号对比

其特征参数对比结果如表3 所示。

表3 不同引线方案下阵元脉冲回波性能指标对比

从对比结果可以看出，不同引线方案的超声换能器阵列对换能器各阵元之间的性能影响不仅表现在相邻阵元之间的串扰水平变化，还表现在同一阵元水下脉冲回波指标的变化。从表3 的对比结果可以看出，由于引线距离变长，使得其灵敏度下降了6.5 dB 以上，脉冲宽度降低了250 ns 左右。

4 将长引线方案换能器阵列引线通路做屏蔽处理的结果讨论

为了降低因阵元引线变长引起的阵元信号的负面影响，本研究将长引线柔性电路板两面贴附导电铜箔，实现引线通路上的电学屏蔽。处理结果如图5 所示。

图5 长引线方案进行铜箔屏蔽处理

屏蔽处理之后，进一步测试对比了两种状态下的串扰水平和声性能结果。结果对比如图6 所示。

从图6 的对比结果可以看出，长引线在未增加铜箔屏蔽的情况下，声学信号明显偏低，频谱中间出现凹坑现象；当长引线方案的柔性板粘贴铜箔进行屏蔽之后，从图6（c）可以看出，其相邻阵元串扰水平最高可以提升20 dB，阵元的脉冲回波信号也得到了很好的改善，如图6（b）所示。

图6 长引线方案下阵元回波性能和串扰对比

5 结语

本文通过对具有相同核心结构的线阵超声阵列换能器在不同引线方案下的串扰水平和声学脉冲回波性能进行研究讨论，发现当阵列超声换能器引线长度超过一定数值时，即使换能器阵列的核心结构相差不大，其性能仍存在明显变化。当长引线方案中的引线部分通过一层导电铜箔的贴附进行电学屏蔽之后，该方案的阵元脉冲回波信号得到了明显改善，其阵元串扰水平提升了10～20 dB。本文的研究能够对一些阵列换能器需要长引线的应用场景中改善换能器阵元的性能提供参考作用。