二阶镶拼圆管矢量接收换能器研究

程振阅，赵荣荣，马雄超，于祥龙

(上海船舶电子设备研究所，上海201108)

0 引 言

矢量水听器可以同步、共点地获取声场中的标量和矢量信息，为后续的信号处理拓展了空间，也为水声探测技术提供了新的思路和方法[1]。压差式矢量水听器是矢量水听器中最常见的一种类型，其原理是通过获取声场中某两点之间的声压差值和距离差值，然后根据有限差分近似的方法计算得出两点声中心连线中心点处的声压梯度，进而得到声场的矢量信息[2-3]。

矢量水听器的余弦指向性波束宽度较大，为了解决在同一个波束中的目标分辨问题，人们提出可以获得高指向性的二阶矢量水听器[4]。通过对径向极化圆管的电极进行分割可以得到二阶矢量水听器，然而其二阶模态下的灵敏度不高，在实际应用时受到限制。镶拼圆管采用切向极化的压电陶瓷条粘接而成，与径向极化的圆管相比，具有更高的压电转换效率，因而在用于水声信号的接收时其灵敏度也将得到提高[5-6]。

本文将切向极化的镶拼圆管用作接收换能器，通过对其电极的划分以及压电陶瓷条极化方向的调整，设计得到了一种高灵敏度的二阶矢量接收换能器。

1 二阶镶拼圆管矢量接收换能器设计

二阶镶拼圆管矢量接收换能器的结构示意图如图1所示，镶拼圆管采用32片压电陶瓷条粘接而成，圆管共包括8路开路输出电压信号和1路接地参考电压信号，接地输出信号为8个接地电极的并联输出，接地电极将圆管划分为8部分，每一部分中的四片压电陶瓷条的极化方向以开路输出信号电极为对称轴对称分布，位于开路输出信号电极与接地电极之间的压电陶瓷条的极化方向相同。8路开路输出电压信号组合得到矢量接收换能器的一阶以及二阶矢量分量通道，其中，电极A1与电极A2经过减法器相减后得到镶拼圆管矢量接收换能器x方向一阶矢量分量；电极B1与电极B2经过减法器相减后得到镶拼圆管矢量接收换能器y方向一阶矢量分量；电极C1和电极C3、电极C2和电极C4两两并联后经过减法器相减输出得到镶拼圆管矢量接收换能器二阶矢量分量。

图1 镶拼圆管结构示意图Fig.1 Structure diagram of a segmented ring

2 理论分析及仿真

本文设计的二阶镶拼圆管矢量接收换能器包含两个一阶分量以及一个二阶分量，指向性以及灵敏度是衡量换能器接收特性的重要指标，下面对设计的接收换能器的指向性进行理论分析，并且对其灵敏度进行有限元计算仿真。

2.1 指向性理论分析

在谐和平面波中，若只研究xOy平面，声压可以表示为

矢量接收换能器的两个一阶分量分别对应以上两个一阶偏导(式2(a)、2(b))，二阶分量对应二阶混合偏导(式2(c))。

一阶分量对应的x方向的偶极子指向性如图2(a)所示，一阶分量对应的y方向的偶极子指向性如图2(b)所示，从图中可以看出，偶极子指向性图-3 dB波束宽度为90°。二阶分量对应的四极子指向性如图2(c)所示，其-3 dB波束宽度为45°，二阶分量指向性图的-3 dB 波束宽度明显比一阶分量指向性图更为锐化。

图2 矢量接收换能器的理论指向性Fig.2 Theoretical directivity patterns of the vector receiving transducer

2.2 有限元计算仿真

本文采用有限元软件对划分电极后的镶拼圆管矢量接收换能器进行整体结构建模仿真分析。在仿真计算中涉及到的压电陶瓷材料选用 PZT-4；对相同尺寸的径向极化圆管以及切向极化镶拼圆管在13～19 kHz频率范围的灵敏度进行仿真计算。

切向极化镶拼圆管以及径向极化圆管的一阶及二阶矢量灵敏度如图3所示。从仿真结果可以看出，在仿真的频率范围内，切向极化圆管一阶类偶极子灵敏度在-173 dB左右，二阶类四极子灵敏度在-188 dB左右，二阶量比一阶量低15 dB；径向极化圆管一阶类偶极子灵敏度在-185 dB左右，二阶类四极子灵敏度在-200 dB左右，二阶量比一阶量低 15 dB。对比仿真结果可知，切向极化圆管与同样尺寸的径向极化圆管相比，一阶及二阶矢量灵敏度均提高12 dB左右。

图3 灵敏度仿真曲线Fig.3 The simulated sensitivity curves

3 实验测试

按照仿真时的参数设计镶拼圆管，并进行聚氨酯水密封装处理，得到的二阶镶拼圆管矢量接收换能器如图4所示。

图4 换能器实物图Fig.4 The picture of the developed transducers

在消声水池中利用比较法得到镶拼圆管矢量接收换能器x方向与y方向的一阶分量以及二阶分量的自由场声压灵敏度曲线，如图5所示。从图5可以看出实验测试结果与仿真结果基本吻合。

图5 矢量接收换能器灵敏度仿真与测量曲线Fig.5 The simulated and measured sensitivity curves of the vector receiving transducer

对二阶镶拼圆管矢量接收换能器在13、16 kHz以及19 kHz指向性进行测试，其中16 kHz的一阶矢量x方向分量、一阶矢量y方向分量以及二阶矢量的指向性图如图6所示，与理论分析的指向性吻合较好。

图6 矢量接收换能器实测指向性图Fig.6 The measured directivity patterns of vector receiving transducer

二阶镶拼圆管矢量接收换能器各个矢量通道在13、16 kHz以及19 kHz指向性图-3 dB波束宽度的测试数据如表1所示。

表1 矢量接收换能器在不同方向和不同频率的-3 dB波束宽度Table 1 The -3 dB beam-widths of the vector receiving transducer in different directions and at different frequencies

从表1中看出，在测试频率范围内，一阶矢量类偶极子指向性-3 dB 波束宽度在95°左右，二阶矢量指向性图-3 dB波束宽度在40°左右，二阶矢量指向性图波束宽度明显比一阶矢量指向性图波束宽度更加锐化。镶拼圆管矢量接收换能器类偶极子指向性和类四极子指向性-3 dB波束宽度的实际测试结果与指向性理论分析时的结果存在一定的误差，这是由于理论分析时将接收换能器视为点接收器，没有考虑到镶拼圆管实际尺寸和结构的影响。

4 结 论

本文通过对镶拼圆管中电极的划分以及压电陶瓷条极化方向分布的调整，设计得到一种二阶矢量接收换能器。对其指向性进行理论分析，并对其灵敏度进行仿真，最后制作换能器样机进行测试，得到的实际测试结果与仿真结果基本一致。

根据仿真以及实验测试的数据，设计的二阶镶拼圆管矢量接收换能器一阶矢量灵敏度在-173 dB左右，二阶矢量灵敏度约-188 dB，其一阶矢量与二阶矢量灵敏度与径向极化圆管相比均得到提高；镶拼圆管矢量接收换能器二阶矢量指向性图波束宽度明显比一阶矢量指向性图波束宽度更加锐化。

本文通过仿真及实验测试证明了镶拼圆管用于矢量接收的可行性。镶拼圆管矢量接收换能器与径向极化分割电极的矢量接收换能器相比，灵敏度得到了提高，电极划分更灵活，可以满足更加广泛的工程应用需求。