劉慧生，莫喜平

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縱向換能器寬帶研究設(shè)計(jì)進(jìn)展

劉慧生1,2，莫喜平1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

復(fù)合棒換能器因其結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)在聲吶系統(tǒng)中占有重要的位置。隨著新功能材料、新理論的出現(xiàn)和發(fā)展，各種以復(fù)合棒換能器為基礎(chǔ)衍生出的縱向換能器不斷研制出來，在科研、軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。了解、掌握這些換能器的工作原理對相關(guān)工作者不無裨益。介紹了縱向換能器的基本結(jié)構(gòu)、工作模式、研究設(shè)計(jì)方法、及多種寬帶實(shí)現(xiàn)思路和相應(yīng)換能器具有的工作特性等?？v向換能器的多樣設(shè)計(jì)不僅擴(kuò)展了工作頻率范圍，也滿足了許多不同的應(yīng)用目的。

換能器；寬帶；深水；壓電單晶；超磁致伸縮

0 引言

水聲換能器從早期的朗之萬夾心壓電換能器發(fā)展至今約有百年歷史，各種各樣的換能器被發(fā)明出來。換能器從結(jié)構(gòu)方面分類有：夾心式復(fù)合棒結(jié)構(gòu)、彎張結(jié)構(gòu)、三疊片結(jié)構(gòu)、圓管結(jié)構(gòu)、cymbal結(jié)構(gòu)等。為了滿足不同的應(yīng)用需求，如低頻、寬帶、大功率、小尺寸、重量輕、深水等，其它類型的聲源如電動(dòng)、電磁、機(jī)械、激光等類型的聲源的研究也方興未艾。有源材料方面以各種改性PZT壓電材料、PMNT單晶材料、壓電復(fù)合材料、無鉛壓電陶瓷、磁致伸縮材料、電致伸縮材料等為主。各種類型換能器中，復(fù)合棒換能器因結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、工作范圍寬(一般在2~200 kHz內(nèi))、設(shè)計(jì)理論成熟，至今仍然在超聲、水聲領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?？v向換能器是一種以復(fù)合棒換能器的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過輻射面結(jié)構(gòu)的變化或耦合其它振動(dòng)結(jié)構(gòu)、匹配層的使用、不同驅(qū)動(dòng)材料結(jié)構(gòu)和種類的聯(lián)合使用，新激勵(lì)方式的實(shí)施、電路控制實(shí)現(xiàn)新工作模式特點(diǎn)的換能器的統(tǒng)稱。通過以上創(chuàng)新，換能器性能達(dá)到傳統(tǒng)方式達(dá)不到的效果——如帶寬、工作頻率、聲源級、方向性的改善等。本文主要介紹一下縱向換能器發(fā)展中一些具有特色的設(shè)計(jì)思想，供超聲、水聲領(lǐng)域換能器[1]設(shè)計(jì)者、使用者參考。

1 縱向換能器的結(jié)構(gòu)、工作模式與研究設(shè)計(jì)方法

縱向換能器由基本的復(fù)合棒換能器衍生而來，復(fù)合棒換能器是最基本的縱向換能器，了解、掌握復(fù)合棒換能器的結(jié)構(gòu)形式、工作模式，設(shè)計(jì)方法等，對其它形式的縱向換能器的分析、設(shè)計(jì)可觸類旁通。

1.1 縱向換能器的結(jié)構(gòu)

復(fù)合棒換能器基本結(jié)構(gòu)是由喇叭型輻射頭和壓電陶瓷堆、后質(zhì)量塊，預(yù)應(yīng)力螺桿、電極片等構(gòu)成。復(fù)合棒換能器輻射頭的常見形狀為圓形、方形、六角形等，輻射頭材料多為較輕的金屬和非金屬材料，如鋁、鎂及其合金、環(huán)氧等。方形、六角形輻射頭主要是為了在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)陣的密排，實(shí)際應(yīng)用中較多采用加工簡單的圓形、方形結(jié)構(gòu)。常見的復(fù)合棒換能器陣的形式有平面陣、圓柱陣、共形陣等。圖1為三種復(fù)合棒換能器陣[2]。通過組陣可以實(shí)現(xiàn)聲源級增大及滿足設(shè)計(jì)要求的波束寬度等。

圖1 3種復(fù)合棒換能器陣

復(fù)合棒換能器中有源材料類型如前文所述。有源材料的形狀有圓管、圓環(huán)、圓片、方片、圓柱、鑲拼圓環(huán)等。換能器中采用不同形狀的有源材料可調(diào)節(jié)換能器的尺寸、頻率、頻響等聲學(xué)特性，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。

換能器中壓電堆電極間的鏈接方式如下：一般發(fā)射型換能器采用并聯(lián)連接方式，接收型換能器采用串聯(lián)連接方式，也可采用串聯(lián)、并聯(lián)同時(shí)使用的方式，以兼顧、改善換能器的收發(fā)性能。鏈接方式示意圖見圖2。

圖2 壓電堆連接方式

后質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)及材料變化較少，主要選擇鋼、銅、鎢等較重的金屬，目的以提高輻射端的發(fā)射響應(yīng)及改善帶寬為主。

圖3中顯示了幾例前文提到的基于不同類型、不同形狀有源材料及不同形狀輻射面的縱向換能器，圖3(a)為稀土Janus圓面縱向換能器[3]，圖3(b)為PMNT壓電單晶六方面縱向換能器[4]，圖3(c)中分別為壓電陶瓷-磁致伸縮混合激勵(lì)六方面縱向換能器(左)，壓電單晶-磁致伸縮混合激勵(lì)方面縱向換能器(右)[5]，圖3(d)中分別是壓電圓管矩形面縱向換能器制作完成前后對比圖[2]。

圖3 不同形狀的有源材料縱向換能器

1.2 縱向換能器的工作模式

縱向換能器以基本縱振模式為基礎(chǔ)，對復(fù)合棒換能器而言，當(dāng)工作頻率和其固有的縱振頻率一致時(shí)，可獲得比非諧振時(shí)大得多的功率輸出。當(dāng)換能器以單一的縱振模式工作時(shí)，需要對換能器的尺寸做些假設(shè)，即復(fù)合棒的直徑遠(yuǎn)小于其長度，而復(fù)合棒的長度和縱振工作頻率對應(yīng)波長可比擬，從而可不考慮橫向耦合振動(dòng)的影響。而為了展寬帶寬，有時(shí)會(huì)增加棒的橫向尺寸，從而產(chǎn)生更多的振動(dòng)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)寬帶。當(dāng)然，換能器設(shè)計(jì)中優(yōu)化了某些性能指標(biāo)，相應(yīng)的其它一些性能指標(biāo)就可能有所犧牲，最終需要折中考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)是否滿足使用要求。除了基本的縱振模式工作及提到的橫向模式外，縱向換能器工作模式還包括增加匹配層的工作模式，使用新驅(qū)動(dòng)材料的工作模式，結(jié)構(gòu)多模態(tài)耦合及電激勵(lì)方式改變產(chǎn)生的多模態(tài)耦合的工作模式，結(jié)構(gòu)模態(tài)和液腔模態(tài)耦合工作模式，還有基于復(fù)合結(jié)構(gòu)的工作模式和基于水介質(zhì)非線性的參量陣形式工作模式等。后續(xù)章節(jié)將結(jié)合各種縱向換能器介紹其不同特點(diǎn)的工作模式下的聲學(xué)特性。

1.3 縱向換能器研究設(shè)計(jì)方法

縱向換能器是機(jī)、電、聲系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，對這樣一個(gè)耦合系統(tǒng)的分析，常用方法有等效電路法、傳輸矩陣法等。等效電路法有梅森等效電路法和克里姆霍爾茲等效電路法，其中水聲換能器一般較多采用梅森等效機(jī)電圖來分析。基本思路是建立各部分結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，建立等效電路，通過各部分連接處速度、應(yīng)力連續(xù)，邊界條件的施加等條件，推導(dǎo)出整體結(jié)構(gòu)的機(jī)電等效圖。分析機(jī)電等效圖，推導(dǎo)出換能器的頻率方程并得到換能器其它的聲學(xué)性能參數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是物理概念清晰，但復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方程推導(dǎo)較困難，且后續(xù)計(jì)算不容易得到簡單的結(jié)果，給工程應(yīng)用帶來許多不便?？死锬坊魻柶澋刃щ娐贩▽Π缙ヅ鋵拥亩鄬咏Y(jié)構(gòu)方面應(yīng)用較方便。傳輸矩陣法是把換能器每個(gè)部件等效為一四端網(wǎng)絡(luò)，級聯(lián)相乘各四端網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成傳輸矩陣，矩陣形式適合用計(jì)算機(jī)計(jì)算，可方便得到輸入端、輸出端的關(guān)系。

目前數(shù)值分析方法在換能器仿真設(shè)計(jì)中也得到了廣泛應(yīng)用。采用有限元方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)換能器進(jìn)行多物理場耦合、數(shù)值仿真求解具有求解快速、結(jié)果直觀的特點(diǎn)?；谟邢拊椒ǖ姆抡孳浖殉蔀閾Q能器分析設(shè)計(jì)相關(guān)工作者的得力工具。有限元方法以變分原理和剖分差值為基礎(chǔ)，基本求解步驟是把結(jié)構(gòu)離散化成有限個(gè)單元，選取合適的單元形函數(shù)，建立起整個(gè)連續(xù)體近似滿足的方程組，施加邊界條件，求解出未知的量的節(jié)點(diǎn)值，根據(jù)求解結(jié)果進(jìn)一步可求得其它關(guān)心的物理量。換能器工作時(shí)是一個(gè)多物理場耦合的結(jié)果，其中流固耦合問題是個(gè)很復(fù)雜的問題，采用理論求解困難。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，使得基于大規(guī)模節(jié)點(diǎn)的流固耦合數(shù)值仿真計(jì)算不再昂貴、漫長和難以實(shí)現(xiàn)，容易求得數(shù)值解，從而為換能器的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了又一便捷方法。數(shù)值仿真技術(shù)具有快速、高效地對虛擬換能器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，縮短產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)周期，節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)。

2 縱向換能器的寬帶技術(shù)

聲吶系統(tǒng)中希望聲源有較寬的寬帶，因?yàn)閷拵曉床粌H有優(yōu)良的脈沖響應(yīng)，發(fā)射和接收更多的信息，實(shí)現(xiàn)對水聲信號(hào)的保真處理，更準(zhǔn)確獲取目標(biāo)信息等。聲吶設(shè)計(jì)者使用了各種方法來研究縱向換能器的寬帶發(fā)射問題，設(shè)計(jì)出許多新類型的縱向換能器。

實(shí)現(xiàn)寬帶的方式多種多樣，縱向換能器不同的工作模式都可帶來帶寬的有效增加。常用的增加換能器發(fā)射帶寬的方法主要有匹配層技術(shù)及新型有源驅(qū)動(dòng)材料技術(shù)，多模耦合技術(shù)，復(fù)合結(jié)構(gòu)寬帶技術(shù)等。

2.1 匹配層技術(shù)

匹配層技術(shù)的研究比較早，相關(guān)的理論也很成熟，但受制于無現(xiàn)成的合適的匹配材料，大多都采用人工合成方法制備匹配材料，但制備的合成材料和設(shè)計(jì)要求有差別，且性能一致性得不到保證，同時(shí)為保證水密性，還要在匹配層前包覆水密橡膠，以及成陣中多陣元間輻射阻的變化影響等情況都制約了匹配層技術(shù)的應(yīng)用。雖然匹配層技術(shù)理論研究透徹，物理意義明確，但在水聲領(lǐng)域完美地使用該技術(shù)還有諸多問題有待解決。

根據(jù)不同換能器等效模型，發(fā)展了相應(yīng)的匹配層理論。包括傳統(tǒng)理論(單、雙層匹配層)、KLM模型理論、Mason模型理論、多模式濾波器合成理論、串并聯(lián)阻抗相等理論等[6]。多層匹配層技術(shù)在超聲領(lǐng)域，尤其是醫(yī)療超聲領(lǐng)域使用較為成功，甚至國外有廠家有售相關(guān)匹配層、聚焦鏡材料產(chǎn)品[7-9]。由于醫(yī)療超聲工作頻率高(MHz)，相應(yīng)匹配層薄，各種適合的有機(jī)合成材料等匹配層相對容易找到且易制作，且換能器工作環(huán)境不同于復(fù)雜的水聲環(huán)境，一般在常溫、常壓狀態(tài)下工作，可忽略匹配層材料性能受壓力變化的影響。而水聲工作中頻率較低，匹配層厚度較厚，尺寸增加、重量增加，給安裝使用帶來不便，且在較大深度工作時(shí)，匹配層性能受壓力影響產(chǎn)生變化，從而帶來工作可靠性的問題。所以水聲工程中使用匹配層技術(shù)方案，一般是不得已為之。即使選用也以1/4波長匹配層理論為主，主要還是從工程的易實(shí)施性、可靠性方面考慮的。

單層匹配層技術(shù)增加帶寬的原理是通過增加1/4波長厚度的匹配層，使得該頻率下的聲波在理想情況下能無反射地向水中發(fā)射，相應(yīng)匹配頻率點(diǎn)發(fā)射電壓響應(yīng)有所增加，而其它頻率點(diǎn)存在反射，受此影響響應(yīng)有所降低。同時(shí)由于增加了匹配層，相當(dāng)于半波長復(fù)合棒加長，原有縱振諧振點(diǎn)頻率相應(yīng)地降低了。即增加匹配層后，換能器發(fā)射響應(yīng)由原來的一個(gè)峰值變?yōu)閮蓚€(gè)峰值，分別是由降低的縱振模態(tài)和匹配層產(chǎn)生，因此實(shí)現(xiàn)了帶寬的展寬。水聲工程中大多采用1/4波長匹配層方案，原因是考慮換能器制作的復(fù)雜性、可靠性、匹配層材料的性能穩(wěn)定性及粘接性等一些工藝問題。當(dāng)然1/4波長匹配層是個(gè)工程近似，匹配層厚度的選擇，根據(jù)換能器制作情況適當(dāng)加以修正。采用匹配層實(shí)現(xiàn)帶寬增加效果有限。圖4為匹配層對帶寬的改善情況的原理示意圖。

圖4 匹配層對帶寬的改善

2.2 使用新材料增加發(fā)射帶寬技術(shù)

壓電單晶PMNT、PZNT等具有高機(jī)電耦合系數(shù)，可達(dá)90%以上。機(jī)電耦合系數(shù)是個(gè)和帶寬成正比的量，壓電單晶材料的高機(jī)電耦合系數(shù)意味著在換能器中使用壓電單晶材料理論上可獲得更大的帶寬。由于壓電單晶材料屬于偏“軟性”的壓電材料，類似PZT-5，在高頻醫(yī)療超聲成像中取得了比傳統(tǒng)壓電陶瓷更優(yōu)異的性能：帶寬更寬，脈沖波形好；同時(shí)在低頻高靈敏度水聽器方面得到應(yīng)用，但在發(fā)射換能器方面的大規(guī)模使用還存在一些問題。壓電單晶材料能量密度高，但材料具有較低的矯頑場，退極化場低，居里溫度低，生長困難，成本高，因此單晶材料還有待改進(jìn)以適合用于低頻、大功率發(fā)射方面。壓電單晶復(fù)合棒也可采用上文提到的各種結(jié)構(gòu)形式，圖5(a)中為16個(gè)壓電單晶柱共尾質(zhì)量復(fù)合棒及其組裝圖[10]，在15~50 kHz發(fā)射電壓響應(yīng)不小于145 dB，5(b)為2種同頻工作的縱向換能器尺寸比較[11]，圖5(b)中左邊的驅(qū)動(dòng)材料為壓電單晶PMN、右為PZT-8。采用壓電單晶發(fā)射電壓響應(yīng)提高4 dB，且尺寸縮小30%，工作頻率約為16~53 kHz。簡單地采用壓電單晶替換PZT的縱向結(jié)構(gòu)增加帶寬的效果遠(yuǎn)沒人們期望的那么高[12]，但從圖3(c)及圖5(b)可知，采用新材料后換能器結(jié)構(gòu)尺寸大大減小，具有應(yīng)用于小尺寸、大功率換能器的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖5 壓電單晶縱向換能器

2.3 多模耦合寬帶縱向換能器

這里說的多模耦合是基于結(jié)構(gòu)的縱振模態(tài)和其它的振動(dòng)模態(tài)的耦合。多模耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式包括復(fù)合棒的縱振和輻射面的彎曲構(gòu)成的縱彎耦合，采用質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量結(jié)構(gòu)的雙激勵(lì)多模耦合，結(jié)構(gòu)形式如雙壓電激勵(lì)和壓電(單晶)-磁致伸縮(Hybrid)耦合激勵(lì)類型，多彈簧質(zhì)量系統(tǒng)類型的多模耦合方式，復(fù)合棒和液腔組合的多模耦合方式。多模耦合設(shè)計(jì)較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)電壓響應(yīng)小的不均勻性有一定困難，輔助采用其它寬帶技術(shù)如匹配層技術(shù)、電路負(fù)反饋控制激勵(lì)等可得到一定的改善。

圖6(a)中為縱彎耦合復(fù)合棒換能器實(shí)物和結(jié)構(gòu)剖面圖[2]，該換能器工作頻率為2.5~10 kHz，聲功率達(dá)600 W，工作深度約600 m，主要應(yīng)用于艦艇基陣上。圖6(b)為壓電-磁致伸縮雙激勵(lì)復(fù)合棒換能器(Hybird)水密前后圖[13]，Hybrid換能器除了具有多模態(tài)寬帶工作特點(diǎn)外，還具有自電諧調(diào)、單向輻射性[14]。圖6(b)中Hybrid結(jié)構(gòu)比同工作頻率的壓電復(fù)合棒縮短約一半，該換能器分別產(chǎn)生由磁致伸縮材料控制的1.8 kHz和壓電堆控制的3.5 kHz兩個(gè)諧頻，換能器在1.5~6 kHz頻帶產(chǎn)生不小于140 dB的發(fā)射電壓響應(yīng)，帶寬不小于1個(gè)倍頻程。圖6(c) 為文獻(xiàn)[15]提到的多彈簧質(zhì)量多激勵(lì)復(fù)合棒換能器，未介紹性能。圖6(d)為使用無源材料的多彈簧質(zhì)量系統(tǒng)復(fù)合棒及加匹配層的無源材料的多彈簧質(zhì)量系統(tǒng)復(fù)合棒換能器[16]。此多彈簧質(zhì)量系統(tǒng)縱向換能器可實(shí)現(xiàn)12~40 kHz測試范圍內(nèi)發(fā)射電壓響應(yīng)不小于130 dB。

圖6 幾種多模耦合寬帶縱向換能器

半壓電堆施加激勵(lì)的寬帶換能器[17,18]如圖7所示。常規(guī)的壓電堆整體采用并聯(lián)連接方式，由于電學(xué)邊界條件的對稱性只能產(chǎn)生奇數(shù)階諧頻。半壓電堆施加激勵(lì)方式則是一半壓電堆按正常方式連接，而另一半不施加任何電壓，除了產(chǎn)生奇數(shù)階諧頻外，還可產(chǎn)生偶數(shù)階諧頻，從而擴(kuò)展了工作帶寬，同時(shí)采用負(fù)反饋電路可以改善頻帶內(nèi)的響應(yīng)不均勻性。采用階梯電壓激勵(lì)壓電堆產(chǎn)生的不同模態(tài)對低頻段響應(yīng)的不均勻性也有一定的調(diào)節(jié)作用。該換能器在10~40 kHz的頻帶上獲得了不小于125 dB的電壓響應(yīng)。做成的36陣元獲得了220 dB的聲源級。

2.4 復(fù)合結(jié)構(gòu)寬帶縱向換能器

復(fù)合結(jié)構(gòu)則是在縱向換能器基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，利用其它新增結(jié)構(gòu)如圓管腔體、彎張殼體等新產(chǎn)生的模態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)帶寬的增加。

一種稱為MMPP[19,20]的復(fù)合結(jié)構(gòu)的換能器如圖8(a)所示。換能器由縱振結(jié)構(gòu)和圓柱殼圍成，利用縱振模態(tài)和液腔諧振模態(tài)及其它高階模態(tài)耦合實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射，同時(shí)換能器由于利用了溢流腔體，使其在水中工作時(shí)內(nèi)外壓力平衡，實(shí)現(xiàn)在大深度水中工作。換能器在1.3~13 kHz聲源級可達(dá)192 dB，700 m深度大功率工作，性能正常。另一種利用亥姆霍茲共鳴器和Janus結(jié)構(gòu)的換能器實(shí)現(xiàn)低頻寬帶發(fā)射[21]如8(b)中左圖所示，此換能器應(yīng)用于AUV設(shè)備上，工作中心頻率500 Hz，聲源級200 dB(1μPa@1m)，帶寬100 Hz，尺寸Ф50X29 cm，空氣中重400 kg，水中250 kg，可在遠(yuǎn)距離1000 km實(shí)現(xiàn)100 bit/s的傳輸速率。圖8(b)右[22]中janus- helmholtz在90°方向開口是為了軸向無指向性工作。結(jié)構(gòu)中使用順性管，一方面可增加源級，另一方面可調(diào)節(jié)腔體共振的頻率，當(dāng)然由于順性管的耐壓性問題使得其在大深度工作受到限制。另一種大尺寸的該類型換能器，頻率低至160 Hz，聲源級可達(dá)205 dB，重量約1000 kg，可實(shí)現(xiàn)4000 km的遠(yuǎn)距傳播，最大工作深度可達(dá)1200 m。

圖7 改變激勵(lì)方式的寬帶縱向換能器及基陣

圖8 采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的深水寬帶縱向換能器

Morozov[23-26]等人提出一種由Janus換能器結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)亥姆霍茲腔體尺寸的低頻、寬帶、可大深度工作的換能器，采用電池組供電，可長時(shí)間應(yīng)用于海洋監(jiān)測和海洋聲層析研究，圖9(a)為結(jié)構(gòu)示意圖，9(b)為換能器實(shí)物圖，9(b)中黑色為換能器，白色為控制箱。換能器采用溢流結(jié)構(gòu)，可工作于深水，控制箱部分解決了耐壓問題，工作深度不受限制，在2000 m正常工作，設(shè)計(jì)工作深度達(dá)5000 m。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)Janus換能器兩邊的亥姆霍茲腔體長度來改變諧振頻率的變化，換能器工作頻率可調(diào)范圍在200~300 Hz，壁厚加厚后，頻率有所上升，結(jié)構(gòu)重500 kg，聲源級可達(dá)195 dB/μPa。

圖9 采用可調(diào)亥姆霍茲腔體結(jié)構(gòu)的深水寬帶縱向換能器

Raymond等人提出一種把輻射頭改為彎張殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合換能器結(jié)構(gòu)如圖10所示[27]，為了隔離彎張殼頭內(nèi)外振動(dòng)反相引起的聲源級降低的問題，在彎張殼頭部分加蓋板來解決。復(fù)合結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生彎張、徑向、縱振模態(tài)，在0.5~4 kHz實(shí)現(xiàn)了寬帶發(fā)射，源級不小于120 dB。圖11[28]中采用IV型彎張殼體和縱向振動(dòng)產(chǎn)生的多模耦合的結(jié)構(gòu)形式增加帶寬，滿足聲管測量的小型化、寬帶的使用要求。

圖10 彎張殼頭換能器

圖11 彎張復(fù)合棒寬帶換能器

2.5 其它特色縱向換能器

其它一些特色的寬帶縱向換能器還有很多，選取幾種供參考。

參量陣發(fā)射方式可獲得低頻、寬帶信號(hào)。其原理利用兩個(gè)高頻縱向換能器發(fā)射大振幅波，在水介質(zhì)的非線性作用產(chǎn)生低頻差頻聲波，高頻信號(hào)的少許改變帶來低頻差頻的大帶寬。該聲波信號(hào)同時(shí)具有窄波束的特點(diǎn)。不足之處是轉(zhuǎn)換效率低，功率小，應(yīng)用中需權(quán)衡利弊。一種集成的縱向結(jié)構(gòu)的參量雙模發(fā)射換能器結(jié)構(gòu)如圖12[29]所示，圖中9個(gè)小復(fù)合棒一方面組成高頻發(fā)射聲源，參量信號(hào)發(fā)射，另一方面它又作為低頻發(fā)射結(jié)構(gòu)的輻射面，參量發(fā)射產(chǎn)生的差頻信號(hào)與整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縱振頻率一致，實(shí)現(xiàn)單一換能器的雙模使用，多頻段的信號(hào)發(fā)射。

圖12 參量陣形式的復(fù)合棒換能器

狀態(tài)轉(zhuǎn)換激勵(lì)復(fù)合棒換能器如圖13所示，圖13(a)為換能器實(shí)物圖，圖13(b)為換能器及控制電路示意圖。通過電路控制，激勵(lì)過程中產(chǎn)生開路和短路兩種剛度，從而達(dá)到工作頻率的改變。利用其產(chǎn)生800 Hz、1000 Hz兩種頻率的信號(hào)，滿足水聲通信要求[30]。寬帶寬波束換能器[31]如圖14所示。通過改變輻射端蓋的結(jié)構(gòu)形式，在保持較小的輻射端面實(shí)現(xiàn)寬波束的發(fā)射要求的同時(shí)，又利用輻射蓋板的彎曲模態(tài)實(shí)現(xiàn)寬帶發(fā)射，后質(zhì)量塊采用桶型嵌套，在減小了縱向尺寸的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了較低的工作頻率。其它如端蓋開槽、開孔等結(jié)構(gòu)的增加帶寬及單向發(fā)射的換能器，不再詳述，可參看文獻(xiàn)[32-35]。

圖13 狀態(tài)轉(zhuǎn)換雙頻換能器

圖14 寬波束換能器

3 結(jié) 論

新理論、新材料、新結(jié)構(gòu)是換能器性能提高的重要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)方向。本文所提到的各種縱向換能器均體現(xiàn)了研究者的巧妙設(shè)計(jì)新思想，包括利用不同結(jié)構(gòu)、材料、理論的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)縱向換能器工作頻率低頻范圍擴(kuò)展至160 Hz，帶寬也顯著增加。這些都大大拓寬了縱向換能器在水聲領(lǐng)域的使用范圍；采用壓電單晶等新材料實(shí)現(xiàn)了換能器尺寸多達(dá)50%的減小的同時(shí)，發(fā)射響應(yīng)還有提高，為縱向換能器的大功率、小型化設(shè)計(jì)開辟了方向；而janus-Helmholtz等溢流結(jié)構(gòu)形式可應(yīng)用于低頻、寬帶、大深度的水聲設(shè)備系統(tǒng)。采用這些研究成果研制的縱向換能器極大地豐富了換能器家族的成員，成為人類開發(fā)利用海洋的得力助手。本文對換能器的設(shè)計(jì)、研制者思路拓寬，對使用者了解換能器也可提供有益參考。

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Progress in research and design of broadband longitudinal transducers

LIUHui-sheng1,2, MO Xi-ping1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The compound bar transducer occupies an important position in sonar systems because of its simple structure, reliable performance, etc. With the emergence and development of new functional materials and new theories of the transducers, various longitudinal transducers derived by the compound bar transducers are developed continuously, and widely used in scientific research and military fields. Understanding and mastering the working principles of these transducers is not without benefit to the relevant workers. This article describes the basic structures, working patterns, research and design methods, broadband realization ideas and the corresponding working characters of longitudinal transducers. The diverse designs of longitudinal transducers not only extend operating frequency ranges of the compound bar transducer, but also meet the many different application purposes.

transducer; broadband; deep water; piezoelectric single crystal; giant magnetostrictive

O421+.2

A

1000-3630(2014)-06-0564-08

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.017

2014-01-07;

2014-04-30

劉慧生(1974－), 男, 高級工程師, 博士研究生, 研究方向?yàn)樗晸Q能器與測試技術(shù)。

劉慧生, E-mail: liuhsh@163.com