一款低频偶极子声源设计

2021-04-19杨斌颖王艳付昌

声学与电子工程 2021年1期

杨斌颖王艳付昌

(上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

低频声波具有较低的传播损失，因此在远距离水声通信和目标探测等领域具有明显的优势。为了获得较高的信噪比和探测分辨率，通常要求声源具有一定的指向性，然而低频换能器实现指向性发射是当前换能器设计面临的一大难题[1-2]。常用的低频声源包括弯张换能器、弯曲圆盘换能器、动圈换能器、Helmholtz 换能器、圆环换能器等，低频发射时由于波长很长，衍射效应明显，当换能器的尺寸满足ka＜1 时，通常在空间上不呈现指向性[3-4]。

在低频换能器的指向性发射方面，国内外学者进行了大量研究。Stephen C Butler 等将 IV 型弯张换能器内部的振子分为两组，通过改变两组振子施加电压的比例和相位，就能实现多种单向指向性[5-6]；之后将这一原理用于VII 型弯张换能器，同样实现了指向性发射[7]。国内杭州应用声学研究所的夏铁坚等参照上述理论，研制出一款450 Hz 的指向性弯张换能器[8]。此外，双端开口的Helmholtz 换能器、溢流圆环换能器在其两个辐射口满足一定间距/波长的情况下，利用其辐射声波在远场叠加能形成“8”指向性。Rossby T 等利用压电圆环驱动双端开口的Helmholtz 共振腔，在谐振频率处实现了“8”形指向性[9]；哈尔滨工程大学的桑永杰等利用弯曲圆盘驱动双Helmholtz 共振腔同样得到了“8”形指向性，并研究了不同腔体长度对指向性的影响[10]。上述低频换能器的指向性发射技术与辐射面间距/波长有关，由于辐射面的位置关系是固定的，因此只能在特定的频率形成理想指向性，这将给换能器的应用带来极大不便。因此，本文研究一款能调节辐射面间距/波长的换能器以满足不同发射频率对指向性的需求。

将两个无指向性的低频换能器组合成偶极子声源，研究了不同布放间距、基元指向性起伏、基元相位一致性对偶极子声源指向性的影响。通过合理的调节间距/波长，设计了一款较为理想的偶极子声源。

1 工作原理

偶极子声源由两台低频换能器基元和一个间距可调的支架构成，如图1 所示。在换能器的工作频带内，根据使用频率调节两台换能器间距和输入信号的幅值、相位，使得两台换能器的辐射声波幅值相等相位相反，利用声波在远场叠加可以形成较为理想的“8”字形指向性。

图1 偶极子声源结构示意图

两台换能器的尺寸远小于波长，以至于可以将其等效为点源。当其辐射声波幅值相同相位相反，且布放间距满足＜1kL 时，远场辐射声压满足[11]：

式中，k 为波数，A 为换能器等效声中心1 m 处声压幅值，L 为换能器基元间距，r 为水听器与声源距离，θ 为换能器声中心连线与水听器连线夹角。在θ =±90°方向上，两台换能器声压相互抵消，合成声压为极小值。在θ=0°、180°方向上，两台换能器辐射声压和相位都近于相等，声压相互叠加，合成声压为极大值。其指向性特性为

考虑到两台换能器基元的发送电压响应并非完全一致，因此还需要对换能器的输入电压进行校准。设两台换能器的发送电压响应分别为Sva、Svb，输入电压分别为Va、Vb。为了使两台换能器基元的发射声源级一致，输入电压Va、Vb需满足：

2 理论计算

2.1 指向性起伏

换能器基元的辐射声压随角度存在一定起伏，即指向性并非完美的全向，这将导致两台换能器基元在某些方位辐射声压幅值不等。我们假设换能器基元a 的辐射声压在某一方位为极小值，且辐射声压随角度均匀变化，换能器基元b 为完美的全向换能器，通过计算可以得到在不同布放间距下、单个换能器基元的指向性起伏对偶极子声源指向性的影响。图2 为基元间距λ/5 时，当换能器基元a 的辐射声压极小值分别出现在0°、180°、270°（与90°对称）时偶极子声源指向性随基元指向性起伏的变化情况，左侧图为换能器基元a、b 的指向性方位关系，右侧图为不同起伏大小时偶极子声源的指向性。

图2 间距λ/5 偶极子指向性随基元指向性起伏变化

考虑到当发射频率很低时，声波波长很长，即便采用λ/5 间距布放，整个声源的尺寸也将非常庞大。因此需要考虑布阵间距更小的情况下，对偶极子声源指向性的影响。图3 为基元间距为λ/10 时，当换能器基元a 的辐射声压极小值分别出现在0°、180°、270°（与90°对称）时偶极子声源指向性随基元指向性起伏的变化情况，同样左侧图为换能器基元a、b 的指向性方位关系，右侧图为不同起伏大小时偶极子声源的指向性。

图3 间距λ/10 偶极子指向性随基元指向性起伏变化

由以上结果可以看到，在同样的基元布放间距下，当基元指向性的极小值出现在0°和180°方向时，对偶极子声源指向性的影响较小；而当极小值出现在90°或270°时，会导致偶极子声源指向性凹点不对称，且基元指向性起伏越大，对偶极子声源的指向性影响越大；在同样的基元指向性起伏下，基元布放间距更大时能够获得更好的偶极子指向性，但这需要付出声源总体尺寸增加的代价。

2.2 相位一致性差异

即便换能器的输入信号相位一致，换能器的辐射声波也可能存在相位差，下面我们将计算不同布放间距下，由于基元相位一致性差异对偶极子声源指向性的影响。图4 为基元间距为λ/5 时，偶极子声源指向性随基元相位差的变化情况。随着基元相位差增大，偶极子声源指向性的极大值差异越大，即指向性图呈现出“大小头”。可以看到，当基元相位差由5°增加到 20°时，偶极子声源指向性的极大值差异由0.5 dB 增加到了4 dB。

图4 间距λ/5 偶极子指向性随基元相位差变化

将基元间距缩小为λ/10 时，偶极子声源指向性随基元相位差的变化情况见图5。当基元相位差由5°增加到20°时，偶极子声源指向性的极大值差异由3 dB 增加到了10 dB，呈现出更为明显的“大小头”。随着基元布放间距减小，偶极子声源指向性对基元相位差更为敏感。而基元相位差往往较难测量，为了降低其对偶极子指向性的影响，应在可接受范围内适当增加布放基元间距。

图5 间距λ/10 偶极子指向性随基元相位差变化

3 测试结果

为了获得更好的试验效果，选用一致性较好的两只弯曲圆盘换能器作为偶极子基元，单只换能器的指向性起伏小于0.7 dB。在消声水池对偶极子声源的指向性进行了测量，测试频率为1 kHz。

3.1 指向性起伏

基元指向性起伏对偶极子声源指向性的影响主要是由于基元辐射声压幅值的差异造成的，测试时可通过人为调整基元辐射声压的大小来模拟。图6 为基元间距为λ/5 时偶极子声源测量得到的指向性图。当基元辐射声压一致时，偶极子声源指向性凹点深度为-20.8 dB；当辐射声压相差2 dB 时，偶极子声源指向性凹点深度为-13.7 dB，变化趋势与理论计算结果一致。

图6 间距λ/5 偶极子指向性随基元声压差值变化

图7 为基元间距为λ/10 时偶极子声源测量得到的指向性图。当基元辐射声压一致时，偶极子声源指向性凹点深度为-16.2 dB；当辐射声压相差2 dB时，偶极子声源指向性凹点深度为-12.5 dB。

图7 间距λ/10 偶极子指向性随基元声压差值变化

通过以上测量结果可以看到，在同一布放间距下，基元声压幅值相差越小，偶极子指向性凹点越深；当基元辐射声压差值一致时，基元间距大的偶极子指向性凹点更深。

3.2 相位一致性差异

虽然直接测量换能器的相位一致性较为困难，但输入信号相位一致时，两只换能器基元之间的相位差是一个固定值。本文只讨论了相位差一定的情况下，当基元间距变化时偶极子声源指向性的变化情况。图8 为不同基元间距下偶极子声源的指向性测量结果。当基元间距由λ/5 减小到λ/10 时，偶极子指向性凹点由-20.8 dB 到-16.5 dB，但指向性“大小头”无明显变化。原因是基元的相位差值较小，当布阵间距变化时，指向性图依然能获得较好的对称性，这也与理论计算结果较为吻合。