一种矩形辐射面宽波束换能器的设计

于祥龙，赵荣荣，唐少波



一种矩形辐射面宽波束换能器的设计

于祥龙1，赵荣荣2，唐少波1

(1. 上海船舶电子设备研究所，上海 201108；2. 水声对抗技术重点实验室，上海 201108)

设计了一种可以宽波束发射的矩形辐射面换能器。通过设计矩形辐射面，适当减小矩形辐射面短边的长度，从而达到了减小换能器的横向尺寸，且增大短边平行截面上的波束宽度的目的，再引入聚氨酯硬质泡沫障板技术改变换能器的辐射声场，进一步改善了换能器的方向性。有限元分析和试制换能器测试结果表明：设计制作的13 kHz工作频率矩形辐射面换能器，在12~15 kHz工作频率范围内，换能器短边平行截面上的波束宽度达到105°~135°。

矩形辐射面；宽波束；障板

0 引言

纵振动换能器具有结构稳定可靠、制造工艺相对简单、等效机电耦合系数高、功率重量比大以及电声性能良好等优点，因此在实际应用中常被用作换能器基阵的基元。但因为传统的纵振动换能器频带较窄和波束宽度不足，常不能满足一些指标要求。

为此科研工作者提出了几种改善此类换能器波束宽度的方法，如改变辐射面结构和引入障板技术等。在引入障板增大换能器的波束宽度方面，唐少波等人[1]通过对圆形辐射面换能器加柱状障板的仿真和试验，实现了120°以上的波束宽度。

对于相同外形的基阵，矩形辐射面换能器基元较圆形辐射面换能器基元布阵更加紧凑、空化极限更高，可以形成新的布阵方式。圆形辐射面换能器是轴对称结构，其声场方向性图也是轴对称的，仿真时只需要建立二维平面模型。而矩形辐射面换能器是非轴对称结构，其声场方向性图是非轴对称的，且与辐射方向选取的截面有关，因此分析时需要建立换能器的立体模型。本文在上述圆形辐射面换能器研究的基础上，通过适当减小矩形辐射面的边长(波束宽度增大的方向)和利用声障板来改善矩形辐射面换能器的波束宽度，且对矩形辐射面换能器辐射方向与辐射面短边平行的截面上的声场方向性进行有限元分析和实验验证。

1 矩形辐射面宽波束换能器设计

设计换能器的工作频率为13 kHz，工作频率范围11~15 kHz。该频率常规基阵换能器基元的波束宽度一般不足90°，本文首先通过设计矩形辐射面，增大换能器的波束宽度。

1.1 矩形辐射面纵振换能器

本换能器由前盖板(铝)、压电陶瓷(PZT4)、预应力螺杆(45#钢)、后质量块(45#钢)组成[2]。为了增加换能器带宽，采用纵向振动与前盖板弯曲振动相耦合的方法。图1为矩形辐射面换能器空气中1/4模型，换能器模型中忽略了去耦垫环、粘结层、电极片。经多次比较，最终确定前盖板的尺寸为60 mm×30 mm。在压电陶瓷的正负电极面施加零电压约束，得到换能器的振动模态，如图2所示。从图中换能器的空气中振动模态位移云图中可以看出，该换能器有两个模态参与振动，第一阶模态的谐振频率为12.5 kHz，前盖板位移部分较为均匀，主要为纵向振动模态；第二阶模态的谐振频率为24 kHz，前盖板不同位置的振幅变化很大，这阶模态主要是由前盖板的弯曲振动引起的。

为了实现对换能器水中特性的分析，本文以换能器声中心为圆心，以满足远场条件的距离为半径，建立了一个球形水体来模拟工作水域。水体外围设置为可以吸收声波的吸收边界，这样就模拟出了自由场的工作环境。在换能器与水接触的界面施加流-固耦合边界条件，以使换能器的振动能够传递到水体中，并以流体介质的刚性边界代替换能器的水密外壳，模型忽略包覆于前盖板之上的透声橡胶。图3所示为换能器水中1/4模型。

对换能器进行水中谐响应分析。图4为换能器的阻抗特性曲线，分析频段为5~25 kHz，从图中可以看出，换能器存在两个谐振频率，分别为11 kHz和22.5 kHz，与空气中相比均下降1.5 kHz。

图5为换能器水中发送电压响应曲线。换能器在11~23.5 kHz频段内，响应较为平坦。纵向振动与前盖板的弯曲振动耦合良好，很好地实现了换能器的宽带工作。

在水体远场区域中，以换能器声中心为圆心取一条圆形路径，分析得到该换能器工作频段内的短边平行截面上的指向性，如图6所示。可以看出，该矩形辐射面换能器在11~15 kHz频段内，-3 dB波束宽度由130°逐渐降至105°。

1.2 宽波束矩形辐射面换能器

为了进一步改善矩形辐射面换能器的方向性，本文在换能器设计中采用聚氨酯硬质泡沫反声障板技术。利用化学发泡的方法可以得到硬质聚氨酯泡沫材料。这种材料具备耐压、特性阻抗低等特点[3]，在泡沫微孔中的空气体积含量大于50%时，材料的剪切模量下降，同时声波波速也随之降低，从而在表面产生高反射。对于聚氨酯硬质泡沫材料制成的反声障板，可将其等效为密度、声速均匀的柔性层进行仿真研究[4]，本文选择采用该材料障板。

在换能器两侧加特定厚度、特定宽度、不同长度(通过增减泡沫板可以形成不同的障板辐射面积)的矩形障板，障板上表面与换能器辐射面之间的距离定义为安装距离，障板的宽边与前盖板的长边在同一平面上。通过对不同障板辐射面积及不同安装距离两种情况下的发送电压响应与方向性进行仿真分析，并且与不带障板的换能器性能进行比较，最后确定包括障板结构的矩形辐射面宽波束换能器的设计，图7所示为带障板换能器的安装结构图。

图8与图9分别给出的是工作频带内带障板换能器的发送电压响应及短边平行截面上的-3 dB波束宽度与不带障板情况下的对比。

可以看出，11~15 kHz频段内，利用反声障板基本增大了换能器该频率范围内的短边平行截面上的波束宽度，13 kHz的波束宽度为150°，较不加障板的原换能器增大了40°，而对于其它频率，除11 kHz的波束宽度无增大外，12、14、15 kHz的-3 dB波束宽度增大至142°、148°、132°。与此同时，障板的使用有效改善了换能器的发送电压响应，使换能器在此频率范围内发射电压响应起伏减小到3 dB以内。

通过对矩形辐射面换能器以及障板与换能器组成的声系统的仿真分析，发现对于确定的矩形辐射面，适当减小辐射面短边的尺寸确实可以增大换能器短边平行截面上的波束宽度，而障板边界结构的使用能够进一步改善矩形辐射面换能器的方向性，通过调节障板的辐射面积与安装距离，可以同时兼顾工作频段内换能器的发送电压响应与波束宽度，实现宽波束发射。

2 实测与分析

根据上述仿真分析结果，实际制作了矩形辐射面换能器，并对换能器的水中性能进行了测试。图10所示为换能器在水中的发送电压响应曲线。可以看出，响应曲线的基本趋势与仿真结果比较吻合，实现了11~15 kHz的宽带工作，但第一谐振频率的响应值减小，第二谐振频率的频率值降低。分析原因为建模时忽略了包覆于前盖板之上的聚氨酯透声橡胶，而透声橡胶的阻尼效应对换能器的两阶振动模态造成了影响。图11给出的是单换能器在自由场中短边平行截面上的归一化极坐标指向性图(标度由外到内依次为1、0.9、0.8、…、0)，11、12、13、14、15 kHz的波束宽度分别为124.5°、97°、100°、109.7°、112.4°。

据图7所示，反声障板采用聚氨酯硬质泡沫制作，通过增减换能器两边泡沫板的数量达到调节障板辐射面积的目的，障板上下移动可以调节安装距离。结合有限元仿真结果，经多次测量后确定了障板的安装情况。

(a) 11 kHz指向性      (b) 12 kHz指向性

(c) 13 kHz指向性       (d) 14 kHz指向性

图12所示为带障板换能器的发送电压响应与不带障板换能器的比较。可以看出其趋势与有限元仿真结果基本相同，且实现了11~15 kHz频段内响应起伏在3 dB以内。

图13所示为带障板换能器在11~15 kHz工作频率范围内短边平行截面上的归一化极坐标指向性图(标度由外到内依次为1、0.9、0.8、…、0)。13 kHz的波束宽度为124.2°，比原换能器进一步增大了24°，而对于其它频率，除11 kHz的波束宽度略有减小外，12、14、15 kHz的波束宽度都有明显增大，增大至105.3°、134.9°、122.5°。在工作频段内的波束宽度增大幅度较仿真结果略有减小，分析原因为换能器的制作工艺达不到仿真时的理想情况。

(a) 11 kHz指向性       (b) 12 kHz指向性

(c) 13 kHz指向性       (d) 14 kHz指向性

3 结论

本文设计并实际制作了一种宽波束矩形辐射面换能器。仿真分析和实验结果表明，通过纵向振动与前盖板弯曲振动耦合的方式能够有效实现换能器的宽带工作性能；对确定的辐射面，适当减小矩形辐射面的短边尺寸和利用聚氨酯硬质泡沫声障板技术能够增大特定频率范围内短边平行截面上的的波束宽度。

设计的13 kHz工作频率换能器，在满足11~15 kHz频率带宽的发送电压响应起伏3 dB以内的同时，短边平行截面上的波束宽度得到有效增大，在12~15 kHz频段内换能器的波束宽度达到105°~ 135°。

[1] 唐少波, 赵荣荣, 田辉, 等. 一种带障板宽波束宽带纵振动换能器[J]. 声学技术, 2014, 33(2): 184-188.

TANG Shaobo, ZHAO Rongrong, TIAN Hui, et al. A kind of wide-beam broad-band longitudinal vibration transducer with a baffle plate[J]. Technical Acoustic, 2014, 33(2): 184-188.

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[4] 夏铁坚, 郝浩琦, 周利生, 等. 大角度波束扫描的宽带平面阵研究[J]. 应用声学, 2011, 30(1): 13-18.

XIA Tiejian, HAO Haoqi, ZHOU Lisheng, et al. Studies on a wild-angle-scanning broadband planar array[J]. Applied Acoustics, 2011, 30(1): 13-18.

Design of a wide-beam rectangular radiating area transducer

YÜ Xiang-long1, ZHAO Rong-rong2, TANG Shao-bo1

(1. Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai201108, China;2. Science and technology on Underwater acoustic Antagonizing Laboratory,Shanghai201108, China)

In this paper, a wide-beam rectangular radiating area transducer is designed. The rectangular radiating area is designed to reduce the transverse size of transducer and to widen the beam in the cross section parallel to the short edge by decreasing the length of the short edge. Then the polyurethane foam baffle plate technique is introduced to change the sound field and further improve the directivity of the transducer. On the basis of the analysis with ANSYS, an experiment sample is manufactured. From the experimental results, the working frequency of this transducer is 13 kHz and the beam width in the cross section parallel to the short edge can reach 105°~135° in the frequency band of 12~15kHz.

rectangular radiating area; wide-beam; baffle plate

TB556

A

1000-3630(2016)-01-0082-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.018

2015-01-13;

2015-03-20

于祥龙(1989－), 男, 山东潍坊人, 硕士研究生, 研究方向为水声换能器与基阵。

于祥龙, E-mail: xianglong891125@163.com