高频球面宽波束水声换能器研究

唐 平，鲜晓军,刘振华,汪红兵，刘良芳

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

随着蛙人载具、水下无人潜水器等小型水下装备的发展，舰艇及港口面临小型目标的威胁日益严峻。在各种敌情目标搜寻和安全应用中，很大程度上依赖于声呐系统的最大覆盖角。现有的平面状高频换能器由于波束角通常较窄，很难满足声呐大覆盖角的要求。为满足新的军事应用急需，高频宽波束换能器逐渐成了水声换能器的研究热点。空间二维高频宽波束换能器通常需要将换能器的敏感元件设计成球面状，运用压电敏感元件的厚度振动实现声波辐射[1-3]。若敏感元件采用纯压电陶瓷，由于存在明显的耦合振动，导致声波的辐射能力降低，同时指向性起伏较大[4-7]。为满足新的应用需求，本文通过切割填充弯曲成型法，成功制作出了球面状1-3型压电复合材料，并采用球面状1-3型压电复合陶瓷材料研制高频宽波束高性能水声换能器。

1 球面状1-3型压电复合材料压电基元振动特性分析

球面状1-3型压电复合陶瓷材料由沿球面圆周方向连通的压电陶瓷相聚合物相组成。压电复合材料中的陶瓷基元和聚合物沿球面方向成周期性性分布，电极位于球面的内外表面，陶瓷细柱的极化方向沿径向方向(见图1)，同时设v1为1-3型压电复合材料中陶瓷相的体积分数。

图1 1-3型压电复合材料结构图

采用应变和电位移为独立变量，其d型压电方程为

(1)

式中:S,T为应变和应力张量;D,E为电位移和电场强度;εT，sE，d分别为恒应力下的介电强度、恒电场下的弹性柔顺常数及压电常数。

图2 厚度振动机电等效电路图

当晶片做自由振动时，F1=F2=0，其等效电阻抗为

(2)

式中：k33为厚度振动机电耦合系数;ω为圆频率。

晶片谐振时，Z=0，则有

(3)

2 球面状1-3型压电复合材料振动辐射声场分析

设压电基元沿球面方向均匀分布并做等幅振动，球面状压电换能器声辐射示意图如图3所示。 图中，a为球面半径，r为距离球心处径向方向的距离,d为球冠外沿直径，θ为球冠的半开角。。

图3 球面状压电换能器声辐射示意图

球面状压电复合材料基元振动特性为

(4)

声场分布的指向性函数D(θ)为

(5)

3 高频宽波束水声换能器的设计与试验制作

根据理论设计与工程应用需要，需设计出工作频率300 kHz、水平及垂直波束开角80°的高频发射换能器。根据理论设计，压电陶瓷选用厚5 mm的 PZT-41型材料。通过切割、填充及弯曲成型工艺制作出球面状1-3型压电复合陶瓷材料，制作工艺路线如图4所示。通过该工艺制作出的球面状压电复合材料样品如图5所示。

图4 球面状1-3型压电复合材料切割填充弯曲成型工艺示意图

图5 球面状1-3型压电复合陶瓷材料实物图

按照理论和仿真分析结果，试验制作了球面状高频宽波束换能器，图6为换能器结构。图7为换能器样品实物。

图6 球面状压电复合材料的高频换能器结构示意图

图7 球面状压电复合材料的高频换能器实物图

对制作的样品进行了声性能测试，其阻抗特性、发射响应及指向性测试曲线如图8～11所示。球面状高频水声换能器在200～400 kHz频带内，模态单一，最大发射电压响应达160 dB，-3 dB带宽约为50 kHz，水平和垂直方向的波束开角约80°,具有高频工作时模态单一，可实现宽波束辐射等特点。另一方面，指向性起伏较大，后期可通过优化制作工艺和基元几何尺寸等方法减小指向性起伏。

图8 球面状压电复合材料高频宽波束换能器导纳测试曲线

图9 球面状压电复合材料高频宽波束换能器发射电压测试曲线

图10 球面状压电复合材料高频宽波束换能器水平方向指向性测试曲线

图11 球面状压电复合材料高频宽波束换能器垂直方向指向性测试曲线

4 结束语

本文实验分析了球面状高频宽波束水声换能器的声学特性，成功制作出了满足设计要求的换能器样品，试验结果和理论结果吻合较好。实验结果表明，该型换能器高频工作时，水平和垂直方向-3 dB波束开角约80°，最大发射响应160 dB，具有高频工作时，模态单一，宽带及宽波束辐射等特点。该型水声能器应用于水下声探测与三维成像声呐系统时，可有效增大其最大覆盖角，提高声呐系统的整体性能。