基于弯曲盘换能器的体积阵研究

俞思源 程启航 伍恒飞

（第七一五研究所，杭州，310023）

在传统换能器基阵中，为了避免互辐射对基阵整体性能的影响，总是尽量使阵元间隔不小于λ/2。即使为了增加功率容量和获得较好的指向性，也会尽量避免阵元的间隔小于λ/4[1]。常规的成阵方式是通过将换能器阵元在高度方向上组合成线列阵，利用换能器阵元的互辐射作用，降低谐振频率，实现低频、大功率辐射的目的[2]。这也是目前各学者研究的重点，在水平方向上扩展分布成阵的研究相对较少。本文在高度方向成阵的基础上添加了水平方向上的分布组合，建立密排体积阵，对不同阵型体积阵的谐振频率、工作带宽和发送电压响应进行研究分析。

通过小尺寸密排成阵，利用阵元间强烈的互辐射效应，以达到降低谐振频率、拓展工作带宽的目的，同时提高成阵后的发射能力[3-5]。密排下的互辐射效应理论计算非常复杂，一般使用有限元软件对整阵性能进行仿真分析。线列阵（半波长）各阵元换能器都是独立的个体，建立有限元模型时为提高计算速度可以尽量简化模型。整阵的性能由各阵元换能器综合作用决定，只有对所有阵元换能器的阻抗特性和振动特性进行精确计算才能对互辐射效应进行定量分析。

本文用到的阵元弯曲盘结构是经典的带空气腔的双叠片结构，厚度极化方向相反的压电圆片粘接在金属支撑板的上下两侧，电路上采用串联连接的方式形成边缘简支条件[6]。当施加电信号时，在某时刻，其中一片压电陶瓷伸长，另一片压电陶瓷缩短，驱动陶瓷片和支撑板产生弯曲振动，并双面辐射声波，其在流体中的建模如图1 所示。

图1 阵元弯曲盘模型图

对三叠片振子进行水密灌封后，单个阵元换能器约为2 kg。进行声性能测试，实测结果与仿真计算的发送电压响应级曲线的对比如图2 所示。图中以阵元谐振频率f0做归一化处理（下同），最大发送电压响应130.5 dB，-3 dB 响应带宽0.125f0（12.5%），实测结果与仿真结果较为吻合。

图2 阵元弯曲盘实测与仿真结果对比图

2.1 理论分析

可将单个阵元近似看成点声源，每个阵元的辐射阻抗与其它阵元相关。采用解析法推导密排线列阵两个不同位置阵元换能器之间的互辐射阻抗系数，确定影响阵元换能器互辐射阻抗的制约因素。点源线列阵序数为m和n的两个阵元换能器之间的互辐射阻抗系数为

式中，dmn是第m个和第n个阵元换能器之间的距离，k为波数，ρc为介质阻抗，S0为阵元换能器辐射面积。实部是互辐射阻系数，虚部是互辐射抗系数。从式中可看出，第m和n个阵元换能器之间的互辐射阻抗系数与阵元换能器辐射面积、阵元间距、阵元位置还有声场介质都有关系。因此换能器辐射面积、阵元间距、阵元位置和声场介质都是影响互辐射效应的因素。

2.2 不同阵型体积阵仿真与实测对比

使用仿真软件建立密排体积阵有限元模型，对不同阵型密排体积阵的电声特性进行仿真分析。以谐振频率为f0的弯曲盘作为阵元进行成阵设计，可以组装成3×1、3×4 阵型及3×8 阵型，其中3×8阵型由3 组密排线列阵在水平方向间距216 mm 呈等边三角形分布，每组密排线列阵是由8 只弯曲盘换能器在垂直方向以12 mm 等间距密排而成。体积阵由24 只弯曲盘换能器组成，其建模如图3 所示。

图3 3×8 体积阵建模

水下声场的布放如图4 所示。为了更好更准确的获取波形，避免反射波的叠加（主要是来自湖面的反射叠加），湖水深度为60 m，入水深度为30 m，水平间距1.5 m。不同阵型的实测数据如图5 所示，性能参数对比如表1 所示。

图4 声场布放示意图

图5 不同阵型的实测数据

表1 不同阵型的实测数据

通过不同阵型的体积阵实测结果对比可以看出，密排体积阵的谐振频率远远低于单个换能器，由于阵元间距小，mrn为正值(mrn为其它阵元对阵元m的等效质量抗)。因此阵元m在组建成换能器阵时的谐振频率要低于阵元m作为单独的换能器工作时的谐振频率，这就是换能器成阵后谐振频率降低的原因。在阵元间距不变情况下，阵元数量增多，基阵的谐振频率降低，品质因数减小，发射电压响应增高。

但是随着阵元数量继续增多，整阵性能不是一定朝某个方向线性变化的。随着阵元数量增多，阵元间的互辐射影响越大，当互辐射影响与换能器自辐射阻抗相当甚至更大时，换能器的振动模态就会发生变化，换能器阻抗和电声效率也会发生变化，整阵性能也发生改变。因此，随着阵元数量进一步的增加，换能器和整阵电声效率反而降低，进而影响整阵发送电压响应。其中取3×8 阵型进行实测数据和仿真结果的对比，并进行最大声源级测试，如图6、7 所示。

图6 3×8 阵型实测与仿真结果对比图

图7 3×8 阵型声源级测试曲线

本文通过仿真计算和实际制作样机的测试结果对比可知，可利用弯曲盘换能器尺寸小、频率低、外形规则易成阵等特点[7]，进行小尺寸密排成阵，能够获得小尺寸低频声源。同时通过不同的成阵分布方式（垂直方向和水平方向分布），可以得到不同谐振频率、不同带宽和发射能力的体积阵，方便实现产品的模块化生产，并满足不同产品的性能要求。