張鴻磊 王艷 胡健輝 趙歡

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108)

隨著世界各國(guó)對(duì)海洋生物資源的勘探，魚(yú)探儀成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。水平魚(yú)探儀具有寬帶、高分辨率和遠(yuǎn)距離工作的優(yōu)勢(shì)且多為圓柱陣，可實(shí)現(xiàn)水平方向全向探測(cè)[1]?？v振子換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝組成圓柱陣，所以魚(yú)探儀聲基元多采用該類型換能器。但傳統(tǒng)縱振子換能器多為窄帶單頻工作[2]，節(jié)點(diǎn)安裝與尾端固定方式不利于圓柱陣拼裝和體積的減小，無(wú)法滿足需求。本文利用電路匹配實(shí)現(xiàn)縱振子換能器寬帶工作，設(shè)計(jì)的殼體連接方式可適用于小型化魚(yú)探儀組成圓柱陣時(shí)聲基元的安裝固定。

1 聲基元總體設(shè)計(jì)

1.1 聲基元結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的縱振子換能器及測(cè)試殼體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1?？v振子換能器選用夾心式換能器，通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺桿連接前蓋板、后蓋板、壓電晶堆及電極片。匹配電路通過(guò)四腳塑料支架安裝固定于縱振子換能器后蓋板。匹配電路的螺桿可以調(diào)節(jié)線圈數(shù)從而改變換能器總體的阻抗值?？v振子換能器利用O型密封圈和金屬測(cè)試殼體進(jìn)行水密連接，并通過(guò)金屬測(cè)試殼體內(nèi)部的圓臺(tái)型凹槽定位。該種定位結(jié)構(gòu)可適用于小型化魚(yú)探儀圓柱陣成陣時(shí)聲基元的安裝。聲基元組成圓柱陣結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1.2 縱振子換能器設(shè)計(jì)

縱振子換能器成陣定位時(shí)，一般采用尾端固定、節(jié)點(diǎn)固定和頭部固定。采用節(jié)點(diǎn)固定的方式組成圓柱陣實(shí)施較困難；尾端固定不僅增加了基陣的總體質(zhì)量還加大了基陣內(nèi)部排線的難度；所以本文選用頭部固定的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。縱振子換能器前蓋板為圓柱加圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)，靠近輻射面一端的圓柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為2 mm 的凹槽，用于安裝O 型密封圈。金屬殼體設(shè)計(jì)一個(gè)圓臺(tái)型凹槽，用于縱振子換能器的定位。

圖1 縱振子換能器及測(cè)試殼體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 聲基元組成圓柱陣結(jié)構(gòu)示意圖

選用PZT-8 壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)單元，前蓋板為鋁，后蓋板為鋼，施加20 kN 壓力并用預(yù)應(yīng)力螺桿緊固。有限元仿真模型如圖3。

圖3 縱振子換能器水中有限元模型

利用有限元軟件計(jì)算水中縱振子換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)（圖4），換能器中心頻率為23.5 kHz， 22～25 kHz 范圍內(nèi)起伏3 dB，在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏9 dB，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為141 dB。利用有限元軟件計(jì)算傳統(tǒng)縱振子換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)驗(yàn)證了其工作帶寬較窄的缺點(diǎn)。

圖4 縱振子換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)

1.3 匹配電路設(shè)計(jì)

當(dāng)前對(duì)于換能器阻抗匹配的研究多數(shù)采用電感電容匹配電路模型[3-6]。國(guó)外學(xué)者經(jīng)過(guò)研究提出T 型匹配網(wǎng)絡(luò)[7]和耦合震蕩匹配模型[9]來(lái)提高能量的傳輸效率，構(gòu)建了電感加電容的阻抗動(dòng)態(tài)匹配網(wǎng)絡(luò)，取得了較好的效果，但是該種形式匹配范圍小且調(diào)節(jié)精度低。本文利用新型“電感-變壓器”阻抗匹配模型，可較好的提高調(diào)節(jié)精度，實(shí)現(xiàn)電路與換能器的良好匹配。本文設(shè)計(jì)匹配電路結(jié)構(gòu)模型如圖5 所示，匹配模型先通過(guò)變壓器調(diào)節(jié)進(jìn)行電阻匹配，后通過(guò)電感調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電抗匹配。

圖5 匹配模型電路結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算縱振子換能器電源兩端的阻抗：

式中，Z1為電源兩端阻抗，Z0為縱振子換能器等效阻抗，ZL為可調(diào)電感L 等效阻抗，ZT為可調(diào)變壓器T 等效阻抗，n1為可調(diào)變壓器T 的初級(jí)線圈數(shù)，n2為可調(diào)變壓器T 的次級(jí)線圈數(shù)。

為了達(dá)到理想匹配，電路模型還需滿足式（2）、（3）：

式中，R1為電源兩端等效電阻，R0為縱振子換能器等效電阻，C0為縱振子換能器靜態(tài)電容，LT為可調(diào)變壓器T 的等效電感，L 為可調(diào)電感，w 為角頻率。通過(guò)調(diào)節(jié)n1/n2的比值和可調(diào)電感的數(shù)值，對(duì)換能器阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，可保障批量生產(chǎn)換能器阻抗的一致性。

2 不同匹配形式仿真對(duì)比

多物理場(chǎng)有限元仿真軟件具有聲-壓電相互作用模塊和電路模塊，可以用來(lái)分析施加電路匹配后換能器的水中聲學(xué)性能[9]。目前拓展縱振子換能器工作帶寬的方式有匹配層匹配、傳統(tǒng)LC 電路匹配等?；谟邢拊浖M(jìn)行電路與聲-壓電物理場(chǎng)的耦合功能，并對(duì)以上兩種方式和本文提出的電路匹配方案進(jìn)行對(duì)比。不同匹配方式換能器水中發(fā)送電壓響應(yīng)曲線如圖6。

圖6 不同匹配方案水中發(fā)送電壓響應(yīng)對(duì)比

從仿真結(jié)果可知，三種匹配方式均可產(chǎn)生兩個(gè)諧振峰，有效地拓展了縱振子換能器的工作帶寬，使換能器在20～30 kHz 范圍內(nèi)工作時(shí)起伏變小。利用匹配層方式雖拓展了工作帶寬，但換能器的最大發(fā)送電壓響應(yīng)為136 dB，與傳統(tǒng)的換能器相比損失了6 dB。傳統(tǒng)的LC 電路匹配方式將最大發(fā)送電壓響應(yīng)提高到150 dB，但20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏約8 dB。本文提出的電路匹配方式將縱振子換能器最大發(fā)送響應(yīng)提高到159 dB，同時(shí)在20～30 kHz范圍內(nèi)起伏約為4 dB。通過(guò)仿真對(duì)比，本文設(shè)計(jì)的匹配方式可以對(duì)縱振子換能器聲學(xué)性能有較大提高。

3 樣機(jī)制作與測(cè)試

為了驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，制作三個(gè)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，樣機(jī)實(shí)物如圖7。圖中實(shí)物從左到右依次為傳統(tǒng)縱振子換能器、匹配層匹配縱振子換能器和本文設(shè)計(jì)的含匹配電路縱振子換能器（附加測(cè)試殼體）。將三個(gè)樣機(jī)分別在消聲水池中進(jìn)行測(cè)試，水中發(fā)送電壓響應(yīng)曲線如圖8。

圖7 樣機(jī)實(shí)物圖

圖8 樣機(jī)水中發(fā)送電壓響應(yīng)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試可知，各樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果和理論仿真結(jié)果基本吻合。傳統(tǒng)縱振子換能器諧振頻率為23.5 kHz，在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏10 dB，最大發(fā)送電壓響應(yīng)為141.6 dB。通過(guò)匹配層匹配的縱振子換能器在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏3.3 dB，且最大發(fā)送電壓響應(yīng)為137.8 dB。通過(guò)本文設(shè)計(jì)電路匹配后縱振子換能器在20～30 kHz 范圍內(nèi)起伏5.5 dB，且最大發(fā)送電壓響應(yīng)為159 dB。

由于實(shí)際制作工藝和選材差異導(dǎo)致實(shí)際電路匹配結(jié)果與仿真結(jié)果有所差異。但仍可說(shuō)明本文利用有限元軟件進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合方式和設(shè)計(jì)的電路匹配方式具有可行性。通過(guò)測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比可知，金屬殼體與縱振子換能器之間的連接方式?jīng)]有對(duì)換能器性能產(chǎn)生影響，說(shuō)明該種安裝方式可實(shí)現(xiàn)換能器與殼體之間的去耦，保證前蓋板自由邊界條件，同時(shí)將換能器固定在殼體中并實(shí)現(xiàn)水密功能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)魚(yú)探儀聲基元樣機(jī)的制作，驗(yàn)證了縱向振子換能器通過(guò)電路匹配可以有效的實(shí)現(xiàn)寬帶、高發(fā)送電壓響應(yīng)的聲學(xué)性能。該種電路匹配的模式可應(yīng)用于小型化魚(yú)探儀換能器基陣的制作，并可通過(guò)調(diào)節(jié)匹配電路阻抗保證聲基元的一致性。同時(shí)該種聲基元的匹配模式和安裝方式對(duì)其他類型的圓柱型換能器基陣的制作具有一定的參考意義。