纵向换能器宽带研究设计进展

刘慧生，莫喜平



纵向换能器宽带研究设计进展

刘慧生1,2，莫喜平1

(1. 中国科学院声学研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100049)

复合棒换能器因其结构简单，性能可靠等优点在声呐系统中占有重要的位置。随着新功能材料、新理论的出现和发展，各种以复合棒换能器为基础衍生出的纵向换能器不断研制出来，在科研、军事领域得到广泛应用。了解、掌握这些换能器的工作原理对相关工作者不无裨益。介绍了纵向换能器的基本结构、工作模式、研究设计方法、及多种宽带实现思路和相应换能器具有的工作特性等。纵向换能器的多样设计不仅扩展了工作频率范围，也满足了许多不同的应用目的。

换能器；宽带；深水；压电单晶；超磁致伸缩

0 引言

水声换能器从早期的朗之万夹心压电换能器发展至今约有百年历史，各种各样的换能器被发明出来。换能器从结构方面分类有：夹心式复合棒结构、弯张结构、三叠片结构、圆管结构、cymbal结构等。为了满足不同的应用需求，如低频、宽带、大功率、小尺寸、重量轻、深水等，其它类型的声源如电动、电磁、机械、激光等类型的声源的研究也方兴未艾。有源材料方面以各种改性PZT压电材料、PMNT单晶材料、压电复合材料、无铅压电陶瓷、磁致伸缩材料、电致伸缩材料等为主。各种类型换能器中，复合棒换能器因结构简单、性能可靠、工作范围宽(一般在2~200 kHz内)、设计理论成熟，至今仍然在超声、水声领域有着广泛的应用。纵向换能器是一种以复合棒换能器的结构为基础，通过辐射面结构的变化或耦合其它振动结构、匹配层的使用、不同驱动材料结构和种类的联合使用，新激励方式的实施、电路控制实现新工作模式特点的换能器的统称。通过以上创新，换能器性能达到传统方式达不到的效果——如带宽、工作频率、声源级、方向性的改善等。本文主要介绍一下纵向换能器发展中一些具有特色的设计思想，供超声、水声领域换能器[1]设计者、使用者参考。

1 纵向换能器的结构、工作模式与研究设计方法

纵向换能器由基本的复合棒换能器衍生而来，复合棒换能器是最基本的纵向换能器，了解、掌握复合棒换能器的结构形式、工作模式，设计方法等，对其它形式的纵向换能器的分析、设计可触类旁通。

1.1 纵向换能器的结构

复合棒换能器基本结构是由喇叭型辐射头和压电陶瓷堆、后质量块，预应力螺杆、电极片等构成。复合棒换能器辐射头的常见形状为圆形、方形、六角形等，辐射头材料多为较轻的金属和非金属材料，如铝、镁及其合金、环氧等。方形、六角形辐射头主要是为了在有限空间内实现阵的密排，实际应用中较多采用加工简单的圆形、方形结构。常见的复合棒换能器阵的形式有平面阵、圆柱阵、共形阵等。图1为三种复合棒换能器阵[2]。通过组阵可以实现声源级增大及满足设计要求的波束宽度等。

图1 3种复合棒换能器阵

复合棒换能器中有源材料类型如前文所述。有源材料的形状有圆管、圆环、圆片、方片、圆柱、镶拼圆环等。换能器中采用不同形状的有源材料可调节换能器的尺寸、频率、频响等声学特性，以满足不同的设计要求。

换能器中压电堆电极间的链接方式如下：一般发射型换能器采用并联连接方式，接收型换能器采用串联连接方式，也可采用串联、并联同时使用的方式，以兼顾、改善换能器的收发性能。链接方式示意图见图2。

图2 压电堆连接方式

后质量块结构及材料变化较少，主要选择钢、铜、钨等较重的金属，目的以提高辐射端的发射响应及改善带宽为主。

图3中显示了几例前文提到的基于不同类型、不同形状有源材料及不同形状辐射面的纵向换能器，图3(a)为稀土Janus圆面纵向换能器[3]，图3(b)为PMNT压电单晶六方面纵向换能器[4]，图3(c)中分别为压电陶瓷-磁致伸缩混合激励六方面纵向换能器(左)，压电单晶-磁致伸缩混合激励方面纵向换能器(右)[5]，图3(d)中分别是压电圆管矩形面纵向换能器制作完成前后对比图[2]。

图3 不同形状的有源材料纵向换能器

1.2 纵向换能器的工作模式

纵向换能器以基本纵振模式为基础，对复合棒换能器而言，当工作频率和其固有的纵振频率一致时，可获得比非谐振时大得多的功率输出。当换能器以单一的纵振模式工作时，需要对换能器的尺寸做些假设，即复合棒的直径远小于其长度，而复合棒的长度和纵振工作频率对应波长可比拟，从而可不考虑横向耦合振动的影响。而为了展宽带宽，有时会增加棒的横向尺寸，从而产生更多的振动模态，实现宽带。当然，换能器设计中优化了某些性能指标，相应的其它一些性能指标就可能有所牺牲，最终需要折中考虑优化设计是否满足使用要求。除了基本的纵振模式工作及提到的横向模式外，纵向换能器工作模式还包括增加匹配层的工作模式，使用新驱动材料的工作模式，结构多模态耦合及电激励方式改变产生的多模态耦合的工作模式，结构模态和液腔模态耦合工作模式，还有基于复合结构的工作模式和基于水介质非线性的参量阵形式工作模式等。后续章节将结合各种纵向换能器介绍其不同特点的工作模式下的声学特性。

1.3 纵向换能器研究设计方法

纵向换能器是机、电、声系统的有机结合，对这样一个耦合系统的分析，常用方法有等效电路法、传输矩阵法等。等效电路法有梅森等效电路法和克里姆霍尔兹等效电路法，其中水声换能器一般较多采用梅森等效机电图来分析。基本思路是建立各部分结构运动方程，建立等效电路，通过各部分连接处速度、应力连续，边界条件的施加等条件，推导出整体结构的机电等效图。分析机电等效图，推导出换能器的频率方程并得到换能器其它的声学性能参数。该方法的优点是物理概念清晰，但复杂结构的方程推导较困难，且后续计算不容易得到简单的结果，给工程应用带来许多不便。克里姆霍尔兹等效电路法对包含如匹配层的多层结构方面应用较方便。传输矩阵法是把换能器每个部件等效为一四端网络，级联相乘各四端网络构成传输矩阵，矩阵形式适合用计算机计算，可方便得到输入端、输出端的关系。

目前数值分析方法在换能器仿真设计中也得到了广泛应用。采用有限元方法对复杂结构换能器进行多物理场耦合、数值仿真求解具有求解快速、结果直观的特点。基于有限元方法的仿真软件已成为换能器分析设计相关工作者的得力工具。有限元方法以变分原理和剖分差值为基础，基本求解步骤是把结构离散化成有限个单元，选取合适的单元形函数，建立起整个连续体近似满足的方程组，施加边界条件，求解出未知的量的节点值，根据求解结果进一步可求得其它关心的物理量。换能器工作时是一个多物理场耦合的结果，其中流固耦合问题是个很复杂的问题，采用理论求解困难。而随着计算机技术的高速发展，使得基于大规模节点的流固耦合数值仿真计算不再昂贵、漫长和难以实现，容易求得数值解，从而为换能器的工程应用设计提供了又一便捷方法。数值仿真技术具有快速、高效地对虚拟换能器进行设计和优化，缩短产品的研制、生产周期，节约成本的优点。

2 纵向换能器的宽带技术

声呐系统中希望声源有较宽的宽带，因为宽带声源不仅有优良的脉冲响应，发射和接收更多的信息，实现对水声信号的保真处理，更准确获取目标信息等。声呐设计者使用了各种方法来研究纵向换能器的宽带发射问题，设计出许多新类型的纵向换能器。

实现宽带的方式多种多样，纵向换能器不同的工作模式都可带来带宽的有效增加。常用的增加换能器发射带宽的方法主要有匹配层技术及新型有源驱动材料技术，多模耦合技术，复合结构宽带技术等。

2.1 匹配层技术

匹配层技术的研究比较早，相关的理论也很成熟，但受制于无现成的合适的匹配材料，大多都采用人工合成方法制备匹配材料，但制备的合成材料和设计要求有差别，且性能一致性得不到保证，同时为保证水密性，还要在匹配层前包覆水密橡胶，以及成阵中多阵元间辐射阻的变化影响等情况都制约了匹配层技术的应用。虽然匹配层技术理论研究透彻，物理意义明确，但在水声领域完美地使用该技术还有诸多问题有待解决。

根据不同换能器等效模型，发展了相应的匹配层理论。包括传统理论(单、双层匹配层)、KLM模型理论、Mason模型理论、多模式滤波器合成理论、串并联阻抗相等理论等[6]。多层匹配层技术在超声领域，尤其是医疗超声领域使用较为成功，甚至国外有厂家有售相关匹配层、聚焦镜材料产品[7-9]。由于医疗超声工作频率高(MHz)，相应匹配层薄，各种适合的有机合成材料等匹配层相对容易找到且易制作，且换能器工作环境不同于复杂的水声环境，一般在常温、常压状态下工作，可忽略匹配层材料性能受压力变化的影响。而水声工作中频率较低，匹配层厚度较厚，尺寸增加、重量增加，给安装使用带来不便，且在较大深度工作时，匹配层性能受压力影响产生变化，从而带来工作可靠性的问题。所以水声工程中使用匹配层技术方案，一般是不得已为之。即使选用也以1/4波长匹配层理论为主，主要还是从工程的易实施性、可靠性方面考虑的。

单层匹配层技术增加带宽的原理是通过增加1/4波长厚度的匹配层，使得该频率下的声波在理想情况下能无反射地向水中发射，相应匹配频率点发射电压响应有所增加，而其它频率点存在反射，受此影响响应有所降低。同时由于增加了匹配层，相当于半波长复合棒加长，原有纵振谐振点频率相应地降低了。即增加匹配层后，换能器发射响应由原来的一个峰值变为两个峰值，分别是由降低的纵振模态和匹配层产生，因此实现了带宽的展宽。水声工程中大多采用1/4波长匹配层方案，原因是考虑换能器制作的复杂性、可靠性、匹配层材料的性能稳定性及粘接性等一些工艺问题。当然1/4波长匹配层是个工程近似，匹配层厚度的选择，根据换能器制作情况适当加以修正。采用匹配层实现带宽增加效果有限。图4为匹配层对带宽的改善情况的原理示意图。

图4 匹配层对带宽的改善

2.2 使用新材料增加发射带宽技术

压电单晶PMNT、PZNT等具有高机电耦合系数，可达90%以上。机电耦合系数是个和带宽成正比的量，压电单晶材料的高机电耦合系数意味着在换能器中使用压电单晶材料理论上可获得更大的带宽。由于压电单晶材料属于偏“软性”的压电材料，类似PZT-5，在高频医疗超声成像中取得了比传统压电陶瓷更优异的性能：带宽更宽，脉冲波形好；同时在低频高灵敏度水听器方面得到应用，但在发射换能器方面的大规模使用还存在一些问题。压电单晶材料能量密度高，但材料具有较低的矫顽场，退极化场低，居里温度低，生长困难，成本高，因此单晶材料还有待改进以适合用于低频、大功率发射方面。压电单晶复合棒也可采用上文提到的各种结构形式，图5(a)中为16个压电单晶柱共尾质量复合棒及其组装图[10]，在15~50 kHz发射电压响应不小于145 dB，5(b)为2种同频工作的纵向换能器尺寸比较[11]，图5(b)中左边的驱动材料为压电单晶PMN、右为PZT-8。采用压电单晶发射电压响应提高4 dB，且尺寸缩小30%，工作频率约为16~53 kHz。简单地采用压电单晶替换PZT的纵向结构增加带宽的效果远没人们期望的那么高[12]，但从图3(c)及图5(b)可知，采用新材料后换能器结构尺寸大大减小，具有应用于小尺寸、大功率换能器的发展潜力。

图5 压电单晶纵向换能器

2.3 多模耦合宽带纵向换能器

这里说的多模耦合是基于结构的纵振模态和其它的振动模态的耦合。多模耦合技术实现方式包括复合棒的纵振和辐射面的弯曲构成的纵弯耦合，采用质量-弹簧-质量-弹簧-质量结构的双激励多模耦合，结构形式如双压电激励和压电(单晶)-磁致伸缩(Hybrid)耦合激励类型，多弹簧质量系统类型的多模耦合方式，复合棒和液腔组合的多模耦合方式。多模耦合设计较复杂，实现宽频带内电压响应小的不均匀性有一定困难，辅助采用其它宽带技术如匹配层技术、电路负反馈控制激励等可得到一定的改善。

图6(a)中为纵弯耦合复合棒换能器实物和结构剖面图[2]，该换能器工作频率为2.5~10 kHz，声功率达600 W，工作深度约600 m，主要应用于舰艇基阵上。图6(b)为压电-磁致伸缩双激励复合棒换能器(Hybird)水密前后图[13]，Hybrid换能器除了具有多模态宽带工作特点外，还具有自电谐调、单向辐射性[14]。图6(b)中Hybrid结构比同工作频率的压电复合棒缩短约一半，该换能器分别产生由磁致伸缩材料控制的1.8 kHz和压电堆控制的3.5 kHz两个谐频，换能器在1.5~6 kHz频带产生不小于140 dB的发射电压响应，带宽不小于1个倍频程。图6(c) 为文献[15]提到的多弹簧质量多激励复合棒换能器，未介绍性能。图6(d)为使用无源材料的多弹簧质量系统复合棒及加匹配层的无源材料的多弹簧质量系统复合棒换能器[16]。此多弹簧质量系统纵向换能器可实现12~40 kHz测试范围内发射电压响应不小于130 dB。

图6 几种多模耦合宽带纵向换能器

半压电堆施加激励的宽带换能器[17,18]如图7所示。常规的压电堆整体采用并联连接方式，由于电学边界条件的对称性只能产生奇数阶谐频。半压电堆施加激励方式则是一半压电堆按正常方式连接，而另一半不施加任何电压，除了产生奇数阶谐频外，还可产生偶数阶谐频，从而扩展了工作带宽，同时采用负反馈电路可以改善频带内的响应不均匀性。采用阶梯电压激励压电堆产生的不同模态对低频段响应的不均匀性也有一定的调节作用。该换能器在10~40 kHz的频带上获得了不小于125 dB的电压响应。做成的36阵元获得了220 dB的声源级。

2.4 复合结构宽带纵向换能器

复合结构则是在纵向换能器基本结构基础上，利用其它新增结构如圆管腔体、弯张壳体等新产生的模态，从而实现带宽的增加。

一种称为MMPP[19,20]的复合结构的换能器如图8(a)所示。换能器由纵振结构和圆柱壳围成，利用纵振模态和液腔谐振模态及其它高阶模态耦合实现宽带发射，同时换能器由于利用了溢流腔体，使其在水中工作时内外压力平衡，实现在大深度水中工作。换能器在1.3~13 kHz声源级可达192 dB，700 m深度大功率工作，性能正常。另一种利用亥姆霍兹共鸣器和Janus结构的换能器实现低频宽带发射[21]如8(b)中左图所示，此换能器应用于AUV设备上，工作中心频率500 Hz，声源级200 dB(1μPa@1m)，带宽100 Hz，尺寸Ф50X29 cm，空气中重400 kg，水中250 kg，可在远距离1000 km实现100 bit/s的传输速率。图8(b)右[22]中janus- helmholtz在90°方向开口是为了轴向无指向性工作。结构中使用顺性管，一方面可增加源级，另一方面可调节腔体共振的频率，当然由于顺性管的耐压性问题使得其在大深度工作受到限制。另一种大尺寸的该类型换能器，频率低至160 Hz，声源级可达205 dB，重量约1000 kg，可实现4000 km的远距传播，最大工作深度可达1200 m。

图7 改变激励方式的宽带纵向换能器及基阵

图8 采用复合结构的深水宽带纵向换能器

Morozov[23-26]等人提出一种由Janus换能器结合机械结构调节亥姆霍兹腔体尺寸的低频、宽带、可大深度工作的换能器，采用电池组供电，可长时间应用于海洋监测和海洋声层析研究，图9(a)为结构示意图，9(b)为换能器实物图，9(b)中黑色为换能器，白色为控制箱。换能器采用溢流结构，可工作于深水，控制箱部分解决了耐压问题，工作深度不受限制，在2000 m正常工作，设计工作深度达5000 m。通过机械结构调节Janus换能器两边的亥姆霍兹腔体长度来改变谐振频率的变化，换能器工作频率可调范围在200~300 Hz，壁厚加厚后，频率有所上升，结构重500 kg，声源级可达195 dB/μPa。

图9 采用可调亥姆霍兹腔体结构的深水宽带纵向换能器

Raymond等人提出一种把辐射头改为弯张壳结构的复合换能器结构如图10所示[27]，为了隔离弯张壳头内外振动反相引起的声源级降低的问题，在弯张壳头部分加盖板来解决。复合结构可产生弯张、径向、纵振模态，在0.5~4 kHz实现了宽带发射，源级不小于120 dB。图11[28]中采用IV型弯张壳体和纵向振动产生的多模耦合的结构形式增加带宽，满足声管测量的小型化、宽带的使用要求。

图10 弯张壳头换能器

图11 弯张复合棒宽带换能器

2.5 其它特色纵向换能器

其它一些特色的宽带纵向换能器还有很多，选取几种供参考。

参量阵发射方式可获得低频、宽带信号。其原理利用两个高频纵向换能器发射大振幅波，在水介质的非线性作用产生低频差频声波，高频信号的少许改变带来低频差频的大带宽。该声波信号同时具有窄波束的特点。不足之处是转换效率低，功率小，应用中需权衡利弊。一种集成的纵向结构的参量双模发射换能器结构如图12[29]所示，图中9个小复合棒一方面组成高频发射声源，参量信号发射，另一方面它又作为低频发射结构的辐射面，参量发射产生的差频信号与整体结构产生的纵振频率一致，实现单一换能器的双模使用，多频段的信号发射。

图12 参量阵形式的复合棒换能器

状态转换激励复合棒换能器如图13所示，图13(a)为换能器实物图，图13(b)为换能器及控制电路示意图。通过电路控制，激励过程中产生开路和短路两种刚度，从而达到工作频率的改变。利用其产生800 Hz、1000 Hz两种频率的信号，满足水声通信要求[30]。宽带宽波束换能器[31]如图14所示。通过改变辐射端盖的结构形式，在保持较小的辐射端面实现宽波束的发射要求的同时，又利用辐射盖板的弯曲模态实现宽带发射，后质量块采用桶型嵌套，在减小了纵向尺寸的同时又实现了较低的工作频率。其它如端盖开槽、开孔等结构的增加带宽及单向发射的换能器，不再详述，可参看文献[32-35]。

图13 状态转换双频换能器

图14 宽波束换能器

3 结 论

新理论、新材料、新结构是换能器性能提高的重要创新技术方向。本文所提到的各种纵向换能器均体现了研究者的巧妙设计新思想，包括利用不同结构、材料、理论的结合，实现纵向换能器工作频率低频范围扩展至160 Hz，带宽也显著增加。这些都大大拓宽了纵向换能器在水声领域的使用范围；采用压电单晶等新材料实现了换能器尺寸多达50%的减小的同时，发射响应还有提高，为纵向换能器的大功率、小型化设计开辟了方向；而janus-Helmholtz等溢流结构形式可应用于低频、宽带、大深度的水声设备系统。采用这些研究成果研制的纵向换能器极大地丰富了换能器家族的成员，成为人类开发利用海洋的得力助手。本文对换能器的设计、研制者思路拓宽，对使用者了解换能器也可提供有益参考。

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Progress in research and design of broadband longitudinal transducers

LIUHui-sheng1,2, MO Xi-ping1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The compound bar transducer occupies an important position in sonar systems because of its simple structure, reliable performance, etc. With the emergence and development of new functional materials and new theories of the transducers, various longitudinal transducers derived by the compound bar transducers are developed continuously, and widely used in scientific research and military fields. Understanding and mastering the working principles of these transducers is not without benefit to the relevant workers. This article describes the basic structures, working patterns, research and design methods, broadband realization ideas and the corresponding working characters of longitudinal transducers. The diverse designs of longitudinal transducers not only extend operating frequency ranges of the compound bar transducer, but also meet the many different application purposes.

transducer; broadband; deep water; piezoelectric single crystal; giant magnetostrictive

O421+.2

A

1000-3630(2014)-06-0564-08

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.017

2014-01-07;

2014-04-30

刘慧生(1974－), 男, 高级工程师, 博士研究生, 研究方向为水声换能器与测试技术。

刘慧生, E-mail: liuhsh@163.com