基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器研究

2016-07-04鲜晓军林书玉王登攀

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2016年3期

关键词：基阵基元换能器

鲜晓军, 林书玉,王登攀,杨　靖

(1.陕西师范大学应用声学研究所, 西安 710062；2.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆400060)

基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器研究

鲜晓军1,2, 林书玉1,王登攀2,杨靖2

(1.陕西师范大学应用声学研究所, 西安 710062；2.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆400060)

摘要：对基于类1-3-2型压电复合材料的高频相控阵换能器进行了理论分析和实验研究。通过切割与填充去耦材料制作类1-3-2型压电复合材料，并对类1-3-2型压电复合材料的基元进行布阵，在二维方向上形成4个子阵。通过对子阵适当相移，抑制主瓣和保留栅瓣，在空间上形成所需的发射与接收波束。实现了通过一个多元平面阵列形成4个所需的指向性波束，测速时避免了声学补偿。与传统使用4个活塞型收发换能器形成指向性波束的方法相比，相控阵换能器的几何尺寸显著减小。研究结果表明，基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器具有高发射响应，宽频带，波束一致性好，结构紧凑，制作工艺简单可靠等优点。

关键词：类1-3-2型复合材料；相控阵；水声换能器；相移

0引言

相控阵换能器作为相控阵多普勒计程仪的“嘴巴”与“耳朵”，是水下一切信息的源泉[1-2]。与传统采用多个活塞换能器的计程仪相比，基于相控阵换能器的多普勒计程仪可从机理上免除声学补偿；在波束宽度和工作频率相同的情况下，平面相控阵换能器的重量比多个独立换能器构成的基阵减小一个数量级；在波束宽度和基阵尺寸相同的情况下，平面相控阵的工作频率可更低、作用距离可更大。随着水下测速领域的不断扩大，有关相控阵换能器的理论研究和产品开发的报道越来越多。田坦等[3]给出了相控阵换能器波束形成的基本方法，马淳燕和任敏等[4-5]将相控阵换能器应用于多普勒计程仪中并进行了水下测速实验验证。现有的低频相控阵换能器内部的基元由于几何尺寸较大，大多根据布阵整体设计要求制作所需的陶瓷基元，然后将基元按一定规律置于带孔的支撑结构之中进行布阵。用于制作支撑结构的材料需具有一定强度从而不易发生变形，且易于加工。同时，需精确设计孔径的几何尺寸和孔径间的间距，避免基元与支撑材料发生耦合。然而在实际工程应用中，由于受外力、加工工艺以及温度等方面的影响，通过该方案制作的阵列容易发生变形。同时，支撑结构件的加工难度较大，尤其是在高频阵列的研制过程中，由于基元本身的几何尺寸和基元间的距离均较小，制作满足布阵设计要求的支撑结构的工艺难度更大，该技术难题成为研制高性能高频相控阵换能器的主要瓶颈技术之一。

本文基于类1-3-2型压电复合材料研制高频相控阵换能器，利用其按一定规律排布的压电陶瓷柱作为阵列的基元，对基元分组并进行电路连接，通过后端电路进行相位控制，实现相控发射与相控接收[6-9]。与传统相控阵换能器的研制方法相比，基于类1-3-2型压电复合材料相控阵换能器具有成阵工艺路线简单、基元一致性好，同时可有效避免阵列发生变形而影响电声性能等优点。

1类1-3-2型压电复合陶瓷材料压电特性理论分析

1.1阵列基元振动特性分析

图1为压电陶瓷矩形振子示意图，其长度、宽度和高度分别为l，w，t，极化方向沿着高度方向即z轴方向，电极面垂直于z轴。为保证能量沿基元厚度方向最大限度辐射，基元几何尺寸需满足一维振动的几何尺度，即t≫l,t≫w，此时可忽略基元的横向振动对厚度方向振动的影响。

图1　压电振子示意图Fig.1　Schematic view of the piezoelectricceramic resonator

利用类1-3-2型压电复合材料研制相控阵换能器，由于陶瓷基底的厚度远小于基元的厚度，此时可忽略陶瓷基底厚度对基元厚度方向振动的影响。基于以上假设，基元在垂直于极化轴的平面内为各项同性，其压电方程为

(1)

(2)

(2)式中，kz=ω/cz，cz=(Ez/ρ)1/2，ρ为陶瓷基粒的密度，E2为陶瓷基粒z方向上的杨氏模量，kz与cz为等效波速与声速，ω=2πf，ω与f为基元的角频率和共振频率。由(1)-(2)式可得，基元谐振频率的近似表达式为

(3)

1.2相控阵换能器布阵原理分析

利用多普勒效应测量舰船速度v时，其计算公式为

(4)

(4)式中：c为水中声速；f0为发射频率；fd为多普勒频率；θ为波束倾角。相控阵换能器采用多级复合布阵，各阵元构成等间距线列阵，各子阵元间距为d，相控示意如图2所示。如果在与铅垂方向成θ角方向形成波束，则需在2个阵元激励信号间预先补偿的相移为

(5)

因而有

(6)

图2　相控示意图

根据紧凑设计原则，阵列整体形状设计为圆形, 其可视为由长度不同的换能器条并排构成，其平面阵可看作为由灵敏度不同的等间距直线阵构成。以一维相控阵为例进行分析，假设有一个阵元灵敏度相同的等间距线列阵, 该直线阵有m元阵元, 间距为d。将m元阵元阵分为3级复合子阵, 第3级为4个同样的m/4元的子阵, 各子阵的阵元间距为l3=4d, 等效四元阵的间距为d。再将此等效的四元阵视为一个2级复合阵, 亦即第2级阵由2个间距均为l2=2d的二元子阵构成。第1级阵由2个二元子阵构成, 其等效阵元间距l1=d。此时,m元的线阵可视为3级复合阵, 其阵元数分别为2,2,m/4,而对应的阵元间距分别为l1=d，l2=2d，l3=4d。

图3　相控发射方案原理示意图Fig.3　Scheme of phased-controlled transmitting system

相控接收时，要求将2个波束通道信号进行区分，以便对各通道进行独立的频率测量,从而据此解算载体的运动速度。将第1级二元阵的主极大值方向控制到-sinθ=λ/4d位置，利用乘积定理，形成左接收波束，如图4a所示；同理，将第1级二元阵的主极大值方向控制到sinθ=λ/4d位置，形成右接收波束，如图4b所示。

由相控发射与相控接收原理分析可知，设定向波束的方位倾角为θ，相邻振动基元的间距为d，d与θ间存在的关系式为

(7)

图4　相控接收方案原理示意图Fig.4　Scheme of phased-controlled receiving system

2相控阵换能器仿真设计

相控阵换能器采用类1-3-2型压电复合陶瓷上的正方形压电陶瓷基元制作平面声基阵，布阵示意如图5所示。分别将V1，V2，V3，V4方向(白色基元)和H1，H2，H3，H4方向(黑色基元)的基元进行并联，构成X方向和Y方向上共8个子阵。在发射工作状态时，H1，H2，V1，V24个子阵输入相同的信号；H3，H4，V3，V44个子阵输入另一个相同的信号，两组的信号幅度相同，相位相差180°。基阵工作在接收状态时，水平H方向4个子阵H1，H2，H3，H4分别进行0°，90°，180°，270°(或0°，-90°，-180°，-270°)相位延迟，实现水平单波束接收。

图5　相控阵换能器基元布阵示意图Fig.5　Array distribution of phased-array transducer

基阵设计谐振频率为300 kHz，陶瓷基元的横截面几何尺寸为2.2 mm×2.2 mm，基元厚度为4.5 mm，相邻基元之间的间距为0.03 mm，圆形基阵的直径为90 mm。根据半功率点开角计算，定向波束的波束宽度为3.3°。为保证X方向和Y方向上各子阵的声中心一致，采用对角布阵，即拥有共同顶点的基元为相邻单元，此时相邻基元的声中心距离d=3.535 mm，根据(7)式可得，基阵对应的定向波束倾角为±20.7°。

采用多级复合阵技术进行相控发射和接收控制，利用一个功率源实现发射相控，经数字移相和波束锐化实现4个方向接收波束的合成，相控发射波束仿真如图6所示，右波束相控接收波束仿真如图7所示，其仿真结果验证了前文相控理论的正确性，得到了指定方向上的相控发射波束与相控接收波束。

图6　相控发射仿真图Fig.6　Simulation scheme of phased-controlledtransmitting system

3相控阵换能器的工艺制作与测试

选用PZT-41型压电陶瓷圆片作为敏感元件，利用非金属切割设备按照设计尺寸对陶瓷圆片进行精密切割，制作类1-3-2型压电复合材料。利用类1-3-2型压电复合材料中各基元的厚度振动模式，并按理论设计进行电路分组连接，其阵列内部排布如图8所示。与传统制作带孔支撑结构并将陶瓷基元置于开孔中进行布阵的工艺路线相比，利用类1-3-2型压电复合材料制作的阵列整体平整性较好，变形小，工艺过程简单可靠。将制作好的阵列装配在预先设计好的外壳之中，阵列后端灌注相应的对称吸声材料，辐射端灌注聚氨酯透声材料进行水密，样品实物如图9所示。

图7　相控接收仿真图Fig.7　Simulation scheme of phased-controlledreceiving system

图8　阵列内部布阵排列图Fig.8　Image of the array distribution ofphased-array transducer

图9　相控阵换能器实物图Fig.9　Image of the phased-array transducer

将制作完成的相控阵换能器在国防科技一级计量站标准水池进行了电声性能测试, 基阵全阵的导纳曲线和发射电压响应如图10和图11所示。测试结果表明，基阵的谐振频率为298 kHz，最大发射响应值达188 dB，-3 dB带宽大于60 kHz，具有高响应、宽频带等特点。

图10　相控阵换能器导纳测试曲线Fig.10　Measured admittance curve of thephased-array transducer

图11　相控阵换能器发射电压响应测试曲线Fig.11　Measured curve of transmitting voltage responseof the phased-array transducer

同时，对基阵子阵的自然指向性进行了测试，测试结果如图12所示。经相位控制后基阵的发射指向性如图13所示。从指向性的测试曲线不难看出，基阵的理论设计与实验结果吻合较好，达到了设计预期，验证了理论设计以及工艺制作方案的可行性。同时，实测的旁瓣结果略高于理论值，且2个发射波束最大响应也存在一定差异。误差来源主要包括以下3个方面：①基于类1-3-2型压电复合材料的相控阵换能器虽最大限度保证了阵列基元高度的一致性以及避免基元安装高度不一致引起的相位误差，但在灌注去耦材料的过程中，去耦材料与基元不能实现完全去耦，振动时会导致基元间存在相位差；②由于对基元进行焊接分组过程采用的人工焊接，焊点的大小对高频换能器的谐振频率以及相位的一致性影响明显；③理论设计过程中，陶瓷基底厚度与基元厚度相比很小，忽略了其对基元厚度方向振动的影响，该近似也将导致理论值与实验结果存在差异。此外，理论设计和仿真过程采用的是标准参数，与实际材料参数也存在一定误差。

图12　相控阵换能器波束自然指向性测试曲线Fig.12　Measured curve of nature beam patternof the phased-array transducer

图13　相控阵换能器波束相控测试曲线Fig.13　Measured curve of phased-controlled beampattern of the phased-array transducer

4结束语

基于类1-3-2型压电复合材料研制了高频相控阵换能器，利用其按一定规律排布的压电陶瓷柱作为阵列的基元，进行了阵列换能器的研究与设计。与传统的相控阵换能器工艺技术相比，利用类1-3-2型压电复合材料不仅可研制高响应、宽频带相控阵换能器，同时具有成阵工艺简单可靠，阵列各子阵一致性好等优点，特别是其工艺路线应用于研制几百赫兹以上的高频水声相控阵换能器具有明显优势。

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Study of high frequency phased-array underwater transducer based on analogous 1-3-2 piezocomposite material

XIAN Xiaojun1.2, LIN Shuyu1, WANG Dengpan2，YANG Jing2

(1. Institute of Applied Acoustics, Shaanxi Normal University, Xian 710062,P.R.China；2. 26thInstitute of China Electronics Technology Group Corporation, Chongqing 400060, P.R.China)

Abstract:The theoretical and experimental analyses of the phased-array transducer based on analogous 1-3-2 type piezocomposite material are done in this paper. By incising and filling the piezoelectric ceramic circular resonator with decoupling material, the analogous 1-3-2 type piezocomposite material is fabricated. The elements of the piezocomposite material are embattled in planar directions to form four wave beams. The transmitting and receiving wave beams are achieved by phase-shifted to restrain the main lobe and reserve the grating lobe. Four required beams are formed by a plane phased array, and no compensation for sound velocity is needed. The size of the array is decreased compared to using 4 piston monostatic transducers. The results show that this type of phase-array transducer has the advantages of better performance for transmitting and receiving sound wave, compact and steady structure，easy way of making elements and electrode.

Keywords：analogous 1-3-2 piezocomposite material；phased-array；underwater transducer；phase-shift

DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.03.018

收稿日期：2015- 09-23

修订日期：2016- 05- 07通讯作者：鲜晓军myzx310@163.com

基金项目：国际科技合作计划基金(2010DFR10690)；国家自然科学基金(11174192 ，11374200)；高等学校博士点基金(2011020211010)

Foundation Items：The International Science & Technology Cooperation Program of China(2010DFR10690)；The National Natural Science Foundation of China (11174192，11374200)； The Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (2011020211010)

中图分类号：TN702；TB565

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)03-0389-06

作者简介：