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(shí)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(diǎn),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(shí)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(jì)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(dú)立的個(gè)體,建立有限元模型時(shí)為提高計(jì)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(jì)算才能對互輻射效應(yīng)進(jìn)行定量分析。
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(shí),在某時(shí)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(gè)陣元換能器約為2 kg。進(jìn)行聲性能測試,實(shí)測結(jié)果與仿真計(jì)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(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果較為吻合。
圖2 陣元彎曲盤實(shí)測與仿真結(jié)果對比圖
可將單個(gè)陣元近似看成點(diǎn)聲源,每個(gè)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(gè)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(diǎn)源線列陣序數(shù)為m和n的兩個(gè)陣元換能器之間的互輻射阻抗系數(shù)為
式中,dmn是第m個(gè)和第n個(gè)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(shí)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(gè)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。
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(jì),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(shí)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(shí)測數(shù)據(jù)
表1 不同陣型的實(shí)測數(shù)據(jù)
通過不同陣型的體積陣實(shí)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(gè)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(shí)的諧振頻率要低于陣元m作為單獨(dú)的換能器工作時(shí)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(gè)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(shí),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(shí)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(shí)測與仿真結(jié)果對比圖
圖7 3×8 陣型聲源級測試曲線
本文通過仿真計(jì)算和實(shí)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(diǎn)[7],進(jìn)行小尺寸密排成陣,能夠獲得小尺寸低頻聲源。同時(shí)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(shí)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。