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]。這也是目前各學者研究的重點，在水平方向上擴展分布成陣的研究相對較少。本文在高度方向成陣的基礎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)送電壓響應進行研究分析。

通過小尺寸密排成陣，利用陣元間強烈的互輻射效應，以達到降低諧振頻率、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理論計算非常復雜，一般使用有限元軟件對整陣性能進行仿真分析。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行精確計算才能對互輻射效應進行定量分析。

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構是經(jīng)典的帶空氣腔的雙疊片結構，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，電路上采用串聯(lián)連接的方式形成邊緣簡支條件[6]。當施加電信號時，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

對三疊片振子進行水密灌封后，單個陣元換能器約為2 kg。進行聲性能測試，實測結果與仿真計算的發(fā)送電壓響應級曲線的對比如圖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130.5 dB，-3 dB 響應帶寬0.125f0（12.5%），實測結果與仿真結果較為吻合。

圖2 陣元彎曲盤實測與仿真結果對比圖

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。采用解析法推導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行仿真分析。以諧振頻率為f0的彎曲盤作為陣元進行成陣設計，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果對比可以看出，密排體積陣的諧振頻率遠遠低于單個換能器，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，當互輻射影響與換能器自輻射阻抗相當甚至更大時，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)量進一步的增加，換能器和整陣電聲效率反而降低，進而影響整陣發(fā)送電壓響應。其中取3×8 陣型進行實測數(shù)據(jù)和仿真結果的對比，并進行最大聲源級測試，如圖6、7 所示。

圖6 3×8 陣型實測與仿真結果對比圖

圖7 3×8 陣型聲源級測試曲線

4 結論

本文通過仿真計算和實際制作樣機的測試結果對比可知，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。