張 彬，周博文，童 暉，陳祥全，王佳麟

(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海201815)

0 引 言

隨著海洋探測(cè)手段和聲吶技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高聲吶系統(tǒng)的測(cè)試精度，減小接收噪聲，對(duì)換能器提出了低旁瓣、寬帶的要求[1]。旁瓣級(jí)是對(duì)指向性圖中最大旁瓣幅值歸一化的聲壓級(jí)，它反映了聲系統(tǒng)抑制噪聲干擾和假目標(biāo)的能力[2]。

當(dāng)前主流的旁瓣控制手段是通過(guò)電路部分控制換能器基陣的各路陣元的相位與幅度，通過(guò)加權(quán)的手段實(shí)現(xiàn)低旁瓣，Harry L.van Trees、Stankwitz等人分別提出了基于線性處理、非線性處理的幅度加權(quán)方法[3-4]，該方法較好地降低了旁瓣，但是增加了電子部分的復(fù)雜程度，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，不利于在工程上實(shí)現(xiàn)。另一種方法是對(duì)換能器實(shí)施低旁瓣波束控制，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的前提下降低換能器旁瓣。在超聲換能器領(lǐng)域，Moshfeghi對(duì)圓環(huán)陣、線列陣進(jìn)行了研究[5-6]，采用在發(fā)射和接收中使用不同大小孔徑的方法，將一個(gè)波束方向圖的最小值放置于另一個(gè)波束方向圖的旁瓣附近，實(shí)現(xiàn)旁瓣抑制。本文對(duì)1-3型復(fù)合材料圓形活塞高頻換能器進(jìn)行研究，主要對(duì)其復(fù)合材料中的壓電相采取去除部分有效顆粒的方法實(shí)現(xiàn)壓電相的非均勻分布。本文研究以圓形活塞圓心為中心去除一定寬度圓環(huán)中的有效壓電顆粒，該去環(huán)非均勻分布方法可便捷地控制換能器的形狀，具有對(duì)稱(chēng)的空間指向性，實(shí)現(xiàn)降低旁瓣的目的，且便于工程實(shí)現(xiàn)。

1 去環(huán)非均勻分布方法

本文研究的去環(huán)非均勻圓形活塞高頻換能器采用1-3型復(fù)合材料，在圓形活塞復(fù)合材料中去除一定寬度的圓環(huán)，壓電顆粒在任意軸線方向上非均勻分布。均勻密集分布的1-3型復(fù)合材料換能器與連續(xù)圓形活塞換能器的指向性可以近似為相同，故下文均按連續(xù)活塞換能器的指向性理論推算，去環(huán)非均勻圓形活塞示意圖如圖1所示。

圖1 去環(huán)圓形活塞示意圖Fig.1 Schematic diagram of ring-removal circular piston

連續(xù)活塞換能器的指向性函數(shù)為

式中：u( S)為連續(xù)活塞換能器孔徑分布函數(shù)；ΔφS為連續(xù)平面在 Oxy平面上連續(xù)面各積分元在(α, θ)方向的聲波相對(duì)于主極大方向的聲波的相位差。

如圖1所示，去環(huán)圓形活塞置于Oxy平面上，坐標(biāo)原點(diǎn)選在圓心O，dS面元和圓心相距ρ，ρ矢徑和x軸的夾角為α，去環(huán)的內(nèi)徑為a1，去環(huán)的外徑為a2，去除半徑a1、a2之間的環(huán)R，去環(huán)的平均半徑位置為am，去環(huán)的寬度為 d，活塞的外徑為a3，因圓形活塞換能器軸對(duì)陣，故定向面選在 Oxz平面，P點(diǎn)為遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)，r為O點(diǎn)到P點(diǎn)的距離，聲線方向單位矢量為e = s inθi + cosθk，面元 dS相對(duì)圓 心 的 矢 徑 為 ρ = ρ cosα i+ ρ sinαj， 相 位 差 為Δφ = k ρcosα sinθ，k=2π/λ，λ為波長(zhǎng)。將上述參數(shù)代入式(1)中，去環(huán)圓形活塞換能器指向性函數(shù)D(θ, α, ω) 為

2 仿真優(yōu)化

采用線列陣?yán)碚揫2]仿真計(jì)算密集分布的 1-3型復(fù)合材料圓形活塞換能器指向性，在去環(huán)相同的條件下，去環(huán)1-3型密排活塞換能器與去環(huán)連續(xù)活塞換能器的指向性對(duì)比圖如圖2所示。由圖2可以看出，兩指向性近似相同，故密排活塞換能器的指向性可按照連續(xù)活塞換能器進(jìn)行計(jì)算仿真。

圖2 在去環(huán)相同條件下連續(xù)活塞換能器與1-3型復(fù)合材料密排活塞換能器指向性對(duì)比圖Fig.2 The directivity patterns of ring-removed continuous piston transducer and the densely arranged 1-3 type composite planar piston transducer

根據(jù)式(3)中推導(dǎo)的指向性函數(shù)，建立指向性的Matlab軟件模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，分析不同去環(huán)位置、不同去環(huán)寬度的旁瓣級(jí)變化規(guī)律，優(yōu)化去環(huán)分布，降低旁瓣級(jí)。

2.1 旁瓣級(jí)隨去環(huán)位置變化

設(shè)定去環(huán)的寬度 d為0.1a3，a3為活塞外徑。去環(huán)平均半徑位置am到原點(diǎn)O的距離為DamO，旁瓣級(jí)隨DamO的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可以看出，DamO由 0 .05a3增大至0.27a3時(shí)，旁瓣級(jí)逐漸增大，DamO為 0 .27a3時(shí)，旁瓣級(jí)最大為-15.3 dB。DamO由0.27a3增大至0.77a3，旁瓣級(jí)逐漸減小，DamO為 0 .77a3時(shí)旁瓣級(jí)最小為-21.5 dB。DamO由0.77a3增大至 0 .95a3時(shí)，旁瓣級(jí)逐漸增大，DamO為0.95a3時(shí)換能器為均勻活塞換能器，旁瓣級(jí)為-17.6 dB。

圖3 旁瓣級(jí)隨去環(huán)位置變化規(guī)律Fig.3 Variation of side lobe level with ring-removed position

2.2 旁瓣級(jí)隨去環(huán)寬度變化

設(shè)定去環(huán)的平均半徑位置am到原點(diǎn) O距離DamO為 0 .77a3，旁瓣級(jí)隨去環(huán)寬度d的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可以看出，去環(huán)寬度d為0時(shí)，旁瓣級(jí)與均勻分布換能器相同，為-17.6 dB。去除寬度d由0增大至0.13a3時(shí)，旁瓣級(jí)逐漸降低，去環(huán)寬度d為 0 .13a3時(shí)，旁瓣級(jí)最小為-23.3 dB。去環(huán)寬度 d由0.13a3增大至 0 .46a3，旁瓣級(jí)逐漸增大，去環(huán)寬度d為 0 .46a3時(shí)，換能器為均勻活塞換能器，旁瓣級(jí)為-17.6 dB。當(dāng)去環(huán)寬度d≥ 0 . 12a3時(shí)，第一旁瓣不是最大旁瓣，遠(yuǎn)程旁瓣中出現(xiàn)最大旁瓣。

圖4 旁瓣級(jí)隨去環(huán)寬度變化規(guī)律Fig.4 Variation of side lobe level with ring-removed width

2.3 去環(huán)對(duì)主瓣源級(jí)影響

換能器主瓣聲壓級(jí) LS=170.8+10lg(P η)+ G ，P為有效功率，η換能器轉(zhuǎn)換效率，G為換能器陣增益。相同功率條件下，去環(huán)位置、寬度影響活塞陣的有效面積，進(jìn)而影響活塞陣的陣增益及發(fā)射聲源級(jí)。相同功率條件下，去環(huán)占總面積比例與主瓣源級(jí)變化關(guān)系，如圖5所示。由圖5可以看出去環(huán)面積比例越大，主瓣源級(jí)降低值越大。

圖5 去環(huán)面積比例與主瓣源級(jí)變化規(guī)律Fig.5 Variation of source level with ring-removed area percentage

3 換能器制備與測(cè)試

依據(jù)仿真的結(jié)果，采用去環(huán)寬度d為0.11a3，去環(huán)平均半徑位置am到原點(diǎn)O距離DamO為 0 .77a3。利用等效電路法，由機(jī)械振動(dòng)方程、電路狀態(tài)方程推算，畫(huà)出添加匹配層換能器的等效電路圖，采用匹配層技術(shù)從而拓寬換能器的帶寬。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，采用切割-灌注-去環(huán)-被覆電極-被覆匹配層-水密封裝工藝，最終制備了一款低旁瓣寬帶換能器，中心頻率為325 kHz，換能器直徑φ為95 mm，換能器帶匹配層的去環(huán)非均勻分布1-3復(fù)合材料敏感元件示意圖如圖6所示，換能器照片如圖7所示。

圖6 去環(huán)非均勻1-3型復(fù)合材料敏感元件示意圖Fig.6 Schematic diagram of the ring-removed non-uniform 1-3 type composite sensitive element

圖7 換能器照片F(xiàn)ig.7 Picture of the prepared transducer

根據(jù) GB/T 7965-2002《聲學(xué) 水聲換能器測(cè)量》[7]在消聲水池內(nèi)對(duì)換能器進(jìn)行了聲性能測(cè)試，水聽(tīng)器采用 TC4034。換能器的水中電導(dǎo)曲線如圖8、發(fā)射電壓響應(yīng)曲線如圖 9所示，實(shí)測(cè)與仿真的325 kHz指向性圖如圖 10、11所示，圖中DI表示歸一化指向性指數(shù)。

圖8 實(shí)測(cè)換能器水中電導(dǎo)曲線Fig.8 The measured conductivity curve of the prepared transducer in water

圖9 實(shí)測(cè)換能器發(fā)射電壓響應(yīng)曲線Fig.9 The measured transmitting voltage response curve of the prepared transducer

圖10 實(shí)測(cè)換能器325 kHz指向性圖Fig.10 The measured directivity pattern of the prepared transducer at 325 kHz

圖11 仿真換能器325 kHz指向性圖Fig.11 The simulated directivity pattern of the transducer at 325 kHz

由圖8、9中可以看出換能器水中電導(dǎo)-3 dB帶寬為139.6 kHz。發(fā)射電壓響應(yīng)-3 dB帶寬為150 kHz，中心頻率為 325 kHz。在相同功率下，對(duì)比去環(huán)非均勻換能器與均勻換能器主瓣源級(jí)，實(shí)測(cè)去環(huán)非均勻換能器主瓣源級(jí)降低了0.9 dB，仿真主瓣源級(jí)降低0.8 dB。

對(duì)比圖10、11，可看出實(shí)測(cè)與仿真指向性趨勢(shì)一致，實(shí)測(cè)最大旁瓣級(jí)-22.4 dB，仿真最大旁瓣級(jí)-22.1 dB，實(shí)測(cè)與仿真指向性圖比較吻合。結(jié)果不完全相同是由于仿真時(shí)考慮理想狀態(tài)條件，忽略了實(shí)際應(yīng)用中顆粒間的互輻射、邊界條件與測(cè)量系統(tǒng)的背景噪聲、測(cè)量誤差等因素。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)連續(xù)活塞換能器指向性函數(shù)推導(dǎo)了去環(huán)非均勻圓形活塞換能器的指向性函數(shù)，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了去環(huán)不同位置、不同寬度的圓形活塞換能器旁瓣級(jí)的變化規(guī)律，制備并測(cè)試了一款低旁瓣高頻寬帶換能器，其中心頻率為 325 kHz，帶寬為 150 kHz，最大旁瓣級(jí)為-22.4 dB，較均勻圓形活塞陣旁瓣級(jí)降低了4.8 dB，主瓣聲壓級(jí)降低了 0.9 dB，實(shí)測(cè)與仿真的指向性基本一致。因此去環(huán)非均勻分布方法可以實(shí)現(xiàn)降低圓形活塞換能器旁瓣級(jí)的目的。