一种低旁瓣圆形活塞高频换能器研究

张 彬，周博文，童 晖，陈祥全，王佳麟

(中国科学院声学研究所东海研究站，上海201815)

0 引 言

随着海洋探测手段和声呐技术的不断发展，为了提高声呐系统的测试精度，减小接收噪声，对换能器提出了低旁瓣、宽带的要求[1]。旁瓣级是对指向性图中最大旁瓣幅值归一化的声压级，它反映了声系统抑制噪声干扰和假目标的能力[2]。

当前主流的旁瓣控制手段是通过电路部分控制换能器基阵的各路阵元的相位与幅度，通过加权的手段实现低旁瓣，Harry L.van Trees、Stankwitz等人分别提出了基于线性处理、非线性处理的幅度加权方法[3-4]，该方法较好地降低了旁瓣，但是增加了电子部分的复杂程度，降低了系统的可靠性和稳定性，不利于在工程上实现。另一种方法是对换能器实施低旁瓣波束控制，在不增加系统复杂程度的前提下降低换能器旁瓣。在超声换能器领域，Moshfeghi对圆环阵、线列阵进行了研究[5-6]，采用在发射和接收中使用不同大小孔径的方法，将一个波束方向图的最小值放置于另一个波束方向图的旁瓣附近，实现旁瓣抑制。本文对1-3型复合材料圆形活塞高频换能器进行研究，主要对其复合材料中的压电相采取去除部分有效颗粒的方法实现压电相的非均匀分布。本文研究以圆形活塞圆心为中心去除一定宽度圆环中的有效压电颗粒，该去环非均匀分布方法可便捷地控制换能器的形状，具有对称的空间指向性，实现降低旁瓣的目的，且便于工程实现。

1 去环非均匀分布方法

本文研究的去环非均匀圆形活塞高频换能器采用1-3型复合材料，在圆形活塞复合材料中去除一定宽度的圆环，压电颗粒在任意轴线方向上非均匀分布。均匀密集分布的1-3型复合材料换能器与连续圆形活塞换能器的指向性可以近似为相同，故下文均按连续活塞换能器的指向性理论推算，去环非均匀圆形活塞示意图如图1所示。

图1 去环圆形活塞示意图Fig.1 Schematic diagram of ring-removal circular piston

连续活塞换能器的指向性函数为

式中：u( S)为连续活塞换能器孔径分布函数；ΔφS为连续平面在 Oxy平面上连续面各积分元在(α, θ)方向的声波相对于主极大方向的声波的相位差。

如图1所示，去环圆形活塞置于Oxy平面上，坐标原点选在圆心O，dS面元和圆心相距ρ，ρ矢径和x轴的夹角为α，去环的内径为a1，去环的外径为a2，去除半径a1、a2之间的环R，去环的平均半径位置为am，去环的宽度为 d，活塞的外径为a3，因圆形活塞换能器轴对阵，故定向面选在 Oxz平面，P点为远场点，r为O点到P点的距离，声线方向单位矢量为e = s inθi + cosθk，面元 dS相对圆 心 的 矢 径 为 ρ = ρ cosα i+ ρ sinαj， 相 位 差 为Δφ = k ρcosα sinθ，k=2π/λ，λ为波长。将上述参数代入式(1)中，去环圆形活塞换能器指向性函数D(θ, α, ω) 为

2 仿真优化

采用线列阵理论[2]仿真计算密集分布的 1-3型复合材料圆形活塞换能器指向性，在去环相同的条件下，去环1-3型密排活塞换能器与去环连续活塞换能器的指向性对比图如图2所示。由图2可以看出，两指向性近似相同，故密排活塞换能器的指向性可按照连续活塞换能器进行计算仿真。

图2 在去环相同条件下连续活塞换能器与1-3型复合材料密排活塞换能器指向性对比图Fig.2 The directivity patterns of ring-removed continuous piston transducer and the densely arranged 1-3 type composite planar piston transducer

根据式(3)中推导的指向性函数，建立指向性的Matlab软件模型并进行仿真计算，分析不同去环位置、不同去环宽度的旁瓣级变化规律，优化去环分布，降低旁瓣级。

2.1 旁瓣级随去环位置变化

设定去环的宽度 d为0.1a3，a3为活塞外径。去环平均半径位置am到原点O的距离为DamO，旁瓣级随DamO的变化规律如图3所示。由图3可以看出，DamO由 0 .05a3增大至0.27a3时，旁瓣级逐渐增大，DamO为 0 .27a3时，旁瓣级最大为-15.3 dB。DamO由0.27a3增大至0.77a3，旁瓣级逐渐减小，DamO为 0 .77a3时旁瓣级最小为-21.5 dB。DamO由0.77a3增大至 0 .95a3时，旁瓣级逐渐增大，DamO为0.95a3时换能器为均匀活塞换能器，旁瓣级为-17.6 dB。

图3 旁瓣级随去环位置变化规律Fig.3 Variation of side lobe level with ring-removed position

2.2 旁瓣级随去环宽度变化

设定去环的平均半径位置am到原点 O距离DamO为 0 .77a3，旁瓣级随去环宽度d的变化规律如图4所示。由图4可以看出，去环宽度d为0时，旁瓣级与均匀分布换能器相同，为-17.6 dB。去除宽度d由0增大至0.13a3时，旁瓣级逐渐降低，去环宽度d为 0 .13a3时，旁瓣级最小为-23.3 dB。去环宽度 d由0.13a3增大至 0 .46a3，旁瓣级逐渐增大，去环宽度d为 0 .46a3时，换能器为均匀活塞换能器，旁瓣级为-17.6 dB。当去环宽度d≥ 0 . 12a3时，第一旁瓣不是最大旁瓣，远程旁瓣中出现最大旁瓣。

图4 旁瓣级随去环宽度变化规律Fig.4 Variation of side lobe level with ring-removed width

2.3 去环对主瓣源级影响

换能器主瓣声压级 LS=170.8+10lg(P η)+ G ，P为有效功率，η换能器转换效率，G为换能器阵增益。相同功率条件下，去环位置、宽度影响活塞阵的有效面积，进而影响活塞阵的阵增益及发射声源级。相同功率条件下，去环占总面积比例与主瓣源级变化关系，如图5所示。由图5可以看出去环面积比例越大，主瓣源级降低值越大。

图5 去环面积比例与主瓣源级变化规律Fig.5 Variation of source level with ring-removed area percentage

3 换能器制备与测试

依据仿真的结果，采用去环宽度d为0.11a3，去环平均半径位置am到原点O距离DamO为 0 .77a3。利用等效电路法，由机械振动方程、电路状态方程推算，画出添加匹配层换能器的等效电路图，采用匹配层技术从而拓宽换能器的带宽。通过上述设计，采用切割-灌注-去环-被覆电极-被覆匹配层-水密封装工艺，最终制备了一款低旁瓣宽带换能器，中心频率为325 kHz，换能器直径φ为95 mm，换能器带匹配层的去环非均匀分布1-3复合材料敏感元件示意图如图6所示，换能器照片如图7所示。

图6 去环非均匀1-3型复合材料敏感元件示意图Fig.6 Schematic diagram of the ring-removed non-uniform 1-3 type composite sensitive element

图7 换能器照片Fig.7 Picture of the prepared transducer

根据 GB/T 7965-2002《声学 水声换能器测量》[7]在消声水池内对换能器进行了声性能测试，水听器采用 TC4034。换能器的水中电导曲线如图8、发射电压响应曲线如图 9所示，实测与仿真的325 kHz指向性图如图 10、11所示，图中DI表示归一化指向性指数。

图8 实测换能器水中电导曲线Fig.8 The measured conductivity curve of the prepared transducer in water

图9 实测换能器发射电压响应曲线Fig.9 The measured transmitting voltage response curve of the prepared transducer

图10 实测换能器325 kHz指向性图Fig.10 The measured directivity pattern of the prepared transducer at 325 kHz

图11 仿真换能器325 kHz指向性图Fig.11 The simulated directivity pattern of the transducer at 325 kHz

由图8、9中可以看出换能器水中电导-3 dB带宽为139.6 kHz。发射电压响应-3 dB带宽为150 kHz，中心频率为 325 kHz。在相同功率下，对比去环非均匀换能器与均匀换能器主瓣源级，实测去环非均匀换能器主瓣源级降低了0.9 dB，仿真主瓣源级降低0.8 dB。

对比图10、11，可看出实测与仿真指向性趋势一致，实测最大旁瓣级-22.4 dB，仿真最大旁瓣级-22.1 dB，实测与仿真指向性图比较吻合。结果不完全相同是由于仿真时考虑理想状态条件，忽略了实际应用中颗粒间的互辐射、边界条件与测量系统的背景噪声、测量误差等因素。

4 结 论

本文通过连续活塞换能器指向性函数推导了去环非均匀圆形活塞换能器的指向性函数，利用Matlab软件进行仿真计算，研究了去环不同位置、不同宽度的圆形活塞换能器旁瓣级的变化规律，制备并测试了一款低旁瓣高频宽带换能器，其中心频率为 325 kHz，带宽为 150 kHz，最大旁瓣级为-22.4 dB，较均匀圆形活塞阵旁瓣级降低了4.8 dB，主瓣声压级降低了 0.9 dB，实测与仿真的指向性基本一致。因此去环非均匀分布方法可以实现降低圆形活塞换能器旁瓣级的目的。