俞思源 程啟航 伍恒飛

（第七一五研究所，杭州，310023）

在傳統(tǒng)換能器基陣中，為了避免互輻射對基陣整體性能的影響，總是盡量使陣元間隔不小于λ/2。即使為了增加功率容量和獲得較好的指向性，也會盡量避免陣元的間隔小于λ/4[1]。常規(guī)的成陣方式是通過將換能器陣元在高度方向上組合成線列陣，利用換能器陣元的互輻射作用，降低諧振頻率，實現(xiàn)低頻、大功率輻射的目的[2]。這也是目前各學(xué)者研究的重點，在水平方向上擴(kuò)展分布成陣的研究相對較少。本文在高度方向成陣的基礎(chǔ)上添加了水平方向上的分布組合，建立密排體積陣，對不同陣型體積陣的諧振頻率、工作帶寬和發(fā)送電壓響應(yīng)進(jìn)行研究分析。

通過小尺寸密排成陣，利用陣元間強(qiáng)烈的互輻射效應(yīng)，以達(dá)到降低諧振頻率、拓展工作帶寬的目的，同時提高成陣后的發(fā)射能力[3-5]。密排下的互輻射效應(yīng)理論計算非常復(fù)雜，一般使用有限元軟件對整陣性能進(jìn)行仿真分析。線列陣（半波長）各陣元換能器都是獨立的個體，建立有限元模型時為提高計算速度可以盡量簡化模型。整陣的性能由各陣元換能器綜合作用決定，只有對所有陣元換能器的阻抗特性和振動特性進(jìn)行精確計算才能對互輻射效應(yīng)進(jìn)行定量分析。

1 陣元彎曲盤的仿真與實測對比

本文用到的陣元彎曲盤結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的帶空氣腔的雙疊片結(jié)構(gòu)，厚度極化方向相反的壓電圓片粘接在金屬支撐板的上下兩側(cè)，電路上采用串聯(lián)連接的方式形成邊緣簡支條件[6]。當(dāng)施加電信號時，在某時刻，其中一片壓電陶瓷伸長，另一片壓電陶瓷縮短，驅(qū)動陶瓷片和支撐板產(chǎn)生彎曲振動，并雙面輻射聲波，其在流體中的建模如圖1 所示。

圖1 陣元彎曲盤模型圖

對三疊片振子進(jìn)行水密灌封后，單個陣元換能器約為2 kg。進(jìn)行聲性能測試，實測結(jié)果與仿真計算的發(fā)送電壓響應(yīng)級曲線的對比如圖2 所示。圖中以陣元諧振頻率f0做歸一化處理（下同），最大發(fā)送電壓響應(yīng)130.5 dB，-3 dB 響應(yīng)帶寬0.125f0（12.5%），實測結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合。

圖2 陣元彎曲盤實測與仿真結(jié)果對比圖

2 不同陣型的體積陣

2.1 理論分析

可將單個陣元近似看成點聲源，每個陣元的輻射阻抗與其它陣元相關(guān)。采用解析法推導(dǎo)密排線列陣兩個不同位置陣元換能器之間的互輻射阻抗系數(shù)，確定影響陣元換能器互輻射阻抗的制約因素。點源線列陣序數(shù)為m和n的兩個陣元換能器之間的互輻射阻抗系數(shù)為

式中，dmn是第m個和第n個陣元換能器之間的距離，k為波數(shù)，ρc為介質(zhì)阻抗，S0為陣元換能器輻射面積。實部是互輻射阻系數(shù)，虛部是互輻射抗系數(shù)。從式中可看出，第m和n個陣元換能器之間的互輻射阻抗系數(shù)與陣元換能器輻射面積、陣元間距、陣元位置還有聲場介質(zhì)都有關(guān)系。因此換能器輻射面積、陣元間距、陣元位置和聲場介質(zhì)都是影響互輻射效應(yīng)的因素。

2.2 不同陣型體積陣仿真與實測對比

使用仿真軟件建立密排體積陣有限元模型，對不同陣型密排體積陣的電聲特性進(jìn)行仿真分析。以諧振頻率為f0的彎曲盤作為陣元進(jìn)行成陣設(shè)計，可以組裝成3×1、3×4 陣型及3×8 陣型，其中3×8陣型由3 組密排線列陣在水平方向間距216 mm 呈等邊三角形分布，每組密排線列陣是由8 只彎曲盤換能器在垂直方向以12 mm 等間距密排而成。體積陣由24 只彎曲盤換能器組成，其建模如圖3 所示。

圖3 3×8 體積陣建模

水下聲場的布放如圖4 所示。為了更好更準(zhǔn)確的獲取波形，避免反射波的疊加（主要是來自湖面的反射疊加），湖水深度為60 m，入水深度為30 m，水平間距1.5 m。不同陣型的實測數(shù)據(jù)如圖5 所示，性能參數(shù)對比如表1 所示。

圖4 聲場布放示意圖

圖5 不同陣型的實測數(shù)據(jù)

表1 不同陣型的實測數(shù)據(jù)

通過不同陣型的體積陣實測結(jié)果對比可以看出，密排體積陣的諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單個換能器，由于陣元間距小，mrn為正值(mrn為其它陣元對陣元m的等效質(zhì)量抗)。因此陣元m在組建成換能器陣時的諧振頻率要低于陣元m作為單獨的換能器工作時的諧振頻率，這就是換能器成陣后諧振頻率降低的原因。在陣元間距不變情況下，陣元數(shù)量增多，基陣的諧振頻率降低，品質(zhì)因數(shù)減小，發(fā)射電壓響應(yīng)增高。

但是隨著陣元數(shù)量繼續(xù)增多，整陣性能不是一定朝某個方向線性變化的。隨著陣元數(shù)量增多，陣元間的互輻射影響越大，當(dāng)互輻射影響與換能器自輻射阻抗相當(dāng)甚至更大時，換能器的振動模態(tài)就會發(fā)生變化，換能器阻抗和電聲效率也會發(fā)生變化，整陣性能也發(fā)生改變。因此，隨著陣元數(shù)量進(jìn)一步的增加，換能器和整陣電聲效率反而降低，進(jìn)而影響整陣發(fā)送電壓響應(yīng)。其中取3×8 陣型進(jìn)行實測數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對比，并進(jìn)行最大聲源級測試，如圖6、7 所示。

圖6 3×8 陣型實測與仿真結(jié)果對比圖

圖7 3×8 陣型聲源級測試曲線

4 結(jié)論

本文通過仿真計算和實際制作樣機(jī)的測試結(jié)果對比可知，可利用彎曲盤換能器尺寸小、頻率低、外形規(guī)則易成陣等特點[7]，進(jìn)行小尺寸密排成陣，能夠獲得小尺寸低頻聲源。同時通過不同的成陣分布方式（垂直方向和水平方向分布），可以得到不同諧振頻率、不同帶寬和發(fā)射能力的體積陣，方便實現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化生產(chǎn)，并滿足不同產(chǎn)品的性能要求。