一种上半空间指向性的水声发射换能器结构设计

孙昕+周益明+张世海

摘 要：本文讨论了一种具有上半空间指向性的水声发射换能器的结构，采用半液腔压电圆管换能器实现了上半空间指向性，在换能器结构中采用吸声锥形障板加反声障柱的方法，实现换能器的垂直向上的窄波束指向性。同时也提高了测量装备在边收边发方式下的声隔离度，有效抑制了收发换能器间的声串漏。通过对实物测试，系统声学收发隔离效果达到35dB以上，该换能器结构设计的有效性得到了验证，并将在装备研制中得到应用。

关键词：水声换能器；上半空间；指向性

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0.引言

在一种潜标式水声测量装备中，需要研制一种具有上半空间指向性的水声换能器，接收来自上半空间的水声信号，同时并以较窄的垂直向上波束（±70度）实時转发信号，即所谓边收边发工作方式。因此在该换能器的设计中，需要重点解决以下两个关键技术：一是设计实现一种具有上半空间较窄发射指向性的换能器；二是实现在边收边发方式下的声隔离度及串漏抑制技术。为了解决上述问题，设计了一种具有上半空间指向性的水声发射换能器的结构，采用新型半液腔溢流式压电圆管换能器实现了上半空间指向性，在换能器结构中采用吸声锥形障板加反声障柱的方法，实现换能器的垂直向上的窄波束指向性。同时也提高了测量装备在边收边发方式下的声隔离度，有效抑制了收发换能器间的声串漏。

1.上半空间发射指向性的换能器设计

压电圆管水声换能器是水声领域中应用比较广泛的换能器之一，它具有结构简单、工作特性稳定的特点。相比压电圆管水声换能器来说，溢流式圆管换能器结构形势更为简单，其最大特点是不受工作水深的限制，通过对液腔谐振峰的应用可以降低工作频率，也可以拓展工作频带。溢流环可以简单的描述成中空的圆管结构，中间为可自由溢流式的液腔，充满了海水等流体介质。溢流式圆管换能器在水中工作时存在两种谐振模式：一种是换能器圆管壳体的径向振动，另一种是换能器圆管内部水柱的液腔谐振。当溢流环浸没在水中时，通过施加低频电场激励溢流环产生某种形式的振动（如径向），从而进一步激励溢流环的液腔发生同频振动，由于液腔的固有频率相对较低，所以溢流环可在较低的频率上向外辐射声能。这两种谐振模式耦合在一起使得换能器的谐振频率降低，发射带宽展宽。王涛等指出，换能器液腔振动主要决定于腔体尺寸（管高H与内半径等）和液体特性；径向振动则主要由圆管的平均直径Dm和材料等决定。振动间的耦合程度主要决定于高度直径比H/Dm。当圆管很短时，两种振动耦合很强，换能器在强耦合状态下的频率响应为一单峰曲线；随着 H/Dm的增大，耦合逐渐减弱，频带展宽，因此通过合理地设计换能器的结构尺寸，恰当地利用这些振动模式可得到较宽的频率响应。

由于在测量系统所要求发射换能器技术指标为中心频率20kHz，指向性为垂直上半空间开角大于±70°，声源级大于180dB的发射响应。而圆管换能器水平指向性的特点已无法保证上半空间指向性要求，因此换能器设计结构采用一种改进的新型半液腔溢流式圆管换能器，由于换能器需要向上半空间均匀辐射声能，结构采用半液腔圆管换能器。利用半液腔振动与陶瓷环的径向同相位振动，可以实现在上半空间内的均匀辐射声场，其利用换能器内部水柱的液腔谐振和径向谐振可获得良好的频带响应和指向性。换能器的安装方式采用开口朝上，下部引出水密接插件，与电子罐连接。采用ANSYS有限元计算软件，对换能器的指向性进行仿真计算，其结果如图1所示，从图可看出在-6dB点的上半空间开角大于180°。图2为其结构示意图。

2.换能器声隔离度及串漏抑制技术实现

我们一般用声隔离度来定义换能器接收到该信号幅值与发射信号幅值的差值。研究表明，声隔离度主要由以下几个方面共同综合产生：（1）空间距离衰减；（2）壳体障板特性隔离；（3）接收和发射换能器指向性隔离；（4）干扰抵消信号处理算法。同时在边收边发方式下，系统转发的信号也会通过接收换能器串漏至接收通道内，为了避免二次转发导致的测量信息模糊，从换能器结构上应尽量在物理层上增加隔离度。只要发射换能器的设计及收发换能器布置方式所产生的收发隔离度在物理层上达到35dB以上就可满足系统使用要求，从图2仿真结果看，换能器虽然满足上半空间的指向性要求，但是存在较大的向下辐射声能量。由于系统有边收边发工作模式，这种向下辐射的声能量在系统工作过程中是不允许存在的，或者是不能超过某一个设定声源级的，应当越小越好，我们将其定义为声串漏。然而，在有限的尺度范围内，由于声波衍射效应的存在，想要抑制这种声串漏，通过单一障板的办法已不可行。为了实现后辐射串漏抑制，在此采用了吸声锥形障板加反声障柱的方式。通过水池测试，发现该手段效果较为明显，实物如图3所示，测试结果如图4所示。

对比换能器在增加障板前后的指向性图可知，换能器向下辐射声能量被吸声障板抑制掉20dB，最小处的声辐射比主瓣小26dB，可见，这种声串漏抑制方法是有效可行的。同时为了增加收发隔离度，必须进一步抵消声波从发射换能器向水听器的声传导。采取在水声装备的电子罐顶端加装反声软障柱，可以在声传播路径上实现自适应声抵消，这是提高收发隔离度的第二步关键手段。通过这两种手段，使系统声学收发隔离效果达到35dB以上。

结语

文章提出一种用于水声测量中频宽带圆管换能器结构，采用半液腔圆管换能器加吸声锥形障板加反声障柱的方式，实现了系统边收边发下，换能器的上半空间较窄指向性和较好的声隔离度及串漏抑制，仿真及实测结果表明，采取上述措施后的换能器很好地达到了设计要求。在该水声装备的结构设计中对接收和发射换能器的空间布局做空间优化后，实现空间距离上的衰减，将进一步提高系统声隔离度。采取上述措施后，系统可获得约40dB左右的隔离度。这些结果都为该型水声装备提供有力支撑。

参考文献

[1]王守义.智能声诱饵第一类边发边收方案及信号处理技术研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工程大学，2009.

[2]姚纪元，徐余，孙好广.宽带压电圆管换能器的设计[J].声学技术，2013，32（6） ：283-284.

[3]卢苇，蓝宇.新型宽带圆管换能器研究[J].陕西师范大学学报（自然科学版），2010，38（5） ：23-28.

[4]王涛，张争气.溢流环换能器的有限元分析[J].电声技术，2010，34（10）： 62-64.

[5]吴培荣.基于边收边发技术的声隔离度研究[J].声学技术，2013，32（4）：281-285.