孫好廣 程啟航

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲吶浮標(biāo)是反潛巡邏飛機(jī)、反潛直升機(jī)的重要裝備之一。在搜潛任務(wù)中，聲吶浮標(biāo)換能器接收到水中的聲信號，并將信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大濾波等處理進(jìn)入浮標(biāo)處理系統(tǒng)接收機(jī)；或?qū)㈦娦盘柦?jīng)發(fā)射機(jī)加到換能器上，變成聲信號發(fā)射出去。由于聲吶浮標(biāo)是一次性消耗品，浮標(biāo)換能器低成本是核心；聲吶浮標(biāo)工作所需要的電能來自電池，因此換能器工作效率高是基本要求；搜潛是聲吶浮標(biāo)的使命，因此要求換能器工作在低頻。相對其它聲吶項(xiàng)目換能器而言，只是沒有工作壽命的要求。

對于電聲轉(zhuǎn)換的傳感器，所用的無源材料有多種，如壓電陶瓷、光纖、磁感等。對于水聲設(shè)備而言，常用的是壓電陶瓷，它具有高的功率密度，可以制作大功率器件；成本較低，廣泛應(yīng)用水聲換能器領(lǐng)域。

1 設(shè)計要求

聲吶浮標(biāo)換能器的基本技術(shù)要求：（1）尺寸要小，能裝入浮標(biāo)投放筒中，即要求直徑不大于100 mm；（2）高效率，電聲效率一般不低于80%；（3）成本要低，換能器占一枚浮標(biāo)的價格大約 10～20%；（4）一致性要求，如基元的諧振頻率、接收靈敏度等要求離散性要小。

壓電陶瓷發(fā)射換能器通常工作在其一階模態(tài)頻率，對于不同形狀的換能器一般主要有徑向振動模態(tài)、縱向振動模態(tài)、橫向振動模態(tài)和彎曲模態(tài)等。這些模態(tài)頻率中，只有彎曲模態(tài)基本滿足聲吶浮標(biāo)換能器的技術(shù)要求，部分特殊類型的浮標(biāo)換能器采用圓管換能器。彎曲換能器用作水聽器時具有很高的靈敏度，被動接收型的換能器多是采用彎曲換能器；定向聲吶浮標(biāo)換能器采用彎曲模態(tài)是為了達(dá)到高靈敏度的目的。由于振子的直徑厚度比太大，導(dǎo)致彎曲換能器低頻時耐靜水壓相對較差，不過通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，可以提高工作水深。

2 彎曲圓盤換能器

2.1 彎曲圓盤換能器基本結(jié)構(gòu)

彎曲圓盤換能器由厚度極化的陶瓷圓片粘在兩塊金屬盤上，每塊金屬盤上粘一片陶瓷。陶瓷片粘在金屬圓盤的外側(cè)；金屬圓盤之間的空氣背襯應(yīng)足夠小，從而可以在超出最大工作深度時金屬圓盤接觸到一起，從而起到保護(hù)換能器的作用?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。在聲吶浮標(biāo)中，彎曲盤由聚氨酯橡膠包覆，作為水密層；一根導(dǎo)線連在兩塊金屬盤上（金屬盤與陶瓷正極銀層面接觸），另一根導(dǎo)線連接陶瓷負(fù)極銀層面。加在電極上的電壓引起圓盤在軸向沿相反方向彎曲，從而產(chǎn)生聲波。

圖1 彎曲圓盤換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 彎曲換能器的計算方法

彎曲換能器的計算方法主要有解析法和有限元法，解析法在文獻(xiàn)[1]中有詳細(xì)的計算，不再贅述。在工程設(shè)計中，有限元法是一種高效、高精度的計算方法，換能器與基陣的各種聲學(xué)性能都可以快速計算出，實(shí)測結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合的很好。

由于彎曲換能器具有軸對稱性，因此只需要2D建模，這樣大大減少了有限元節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，提高了運(yùn)算速度。壓電單元類型為plane13，是一個四邊形單元，四邊形網(wǎng)格劃分是整個建模最復(fù)雜的過程，但模型一旦建好，即可為彎曲換能器的通用模型。圖2是一個計算示例。

圖2 （a）聲場有限元模

圖2 （b）聲場強(qiáng)度圖

圖2 （c）基元的G＆B

圖2 （d）基元的電壓發(fā)送響應(yīng)

3 擴(kuò)展陣

彎曲圓盤換能器由于是對稱結(jié)構(gòu)，在空間上結(jié)構(gòu)非常緊湊，基本不浪費(fèi)空間；多個基元換能器可以疊放，這對空間有嚴(yán)格要求的平臺是很適合的，如圖3所示浮標(biāo)投放筒。當(dāng)正常工作時，發(fā)射陣可以在水中擴(kuò)展開，形成一條直線陣，大大提高了陣增益，電聲效率不低于80%。

3.1 擴(kuò)展陣的聲源級

根據(jù)下式可以計算線陣聲源級[1]：

式中，Sv為單個換能器發(fā)送電壓響應(yīng)，DI是指向性指數(shù)，DI≈10lgN；N為線陣陣元數(shù)目。

圖3 彎曲換能器陣狀態(tài)示意圖

3.2 擴(kuò)展陣的指向性函數(shù)

擴(kuò)展陣可視為點(diǎn)源等間距布陣的直線陣，其指向性函數(shù)為[2]

圖3中的八元等間距布陣的擴(kuò)展陣-3 dB波束寬度為12°。

4 直線密排陣

彎曲換能器的諧振頻率雖然已較低，但還不足夠低，研究人員還是不斷向著更低的頻率進(jìn)行探索。采用低頻互輻射技術(shù)可有效降低發(fā)射陣的工作頻率，工作機(jī)理是當(dāng)彎曲圓盤換能器組成同軸陣近距離工作時，基元間的聲互輻射作用提高了各基元的附加質(zhì)量，從而降低了發(fā)射陣的諧振頻率。密排陣的諧振頻率可以降到基元的一半，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是在不降低換能器耐靜水壓能力同時提高基元的高電聲效率（可達(dá) 90%），陣聲源級比基元聲源級提高了至少4 dB。

這方面的研究早在 2007年已展開，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聲學(xué)測量中，圖4為由基元構(gòu)成的互輻射單元，當(dāng)基元間距變化時，其諧振頻率也隨著發(fā)生變化。取單個基元的諧振頻率為f0，不同基元間距下，單元的諧振頻率由0.46f0變化到0.71f0，結(jié)果如圖5所示。

圖4 互輻射單元

圖5 基元間距不等的電壓發(fā)射響應(yīng)及電導(dǎo)測量結(jié)果

5 結(jié)束語

通過理論與試驗(yàn)研究，確定與優(yōu)化了彎曲圓盤換能器邊緣支撐結(jié)構(gòu)，保證了換能器的諧振頻率的一致性，提高了產(chǎn)品的成品率，仿真設(shè)計的預(yù)期與產(chǎn)品的實(shí)際測量結(jié)果吻合得很好。

隨著安靜型潛艇的出現(xiàn)，潛艇的線譜越來越低，通過聲吶浮標(biāo)反潛則需要更低的工作頻率。更低的反潛聲吶浮標(biāo)則需要更低的換能器及基陣，因此，進(jìn)一步研究低頻甚低頻的彎曲換能器可為未來的低頻探潛奠定關(guān)鍵的基礎(chǔ)。