縱向換能器寬帶研究設計進展

劉慧生，莫喜平

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縱向換能器寬帶研究設計進展

劉慧生1,2，莫喜平1

(1. 中國科學院聲學研究所，北京 100190；2. 中國科學院大學，北京 100049)

復合棒換能器因其結構簡單，性能可靠等優點在聲吶系統中占有重要的位置。隨著新功能材料、新理論的出現和發展，各種以復合棒換能器為基礎衍生出的縱向換能器不斷研制出來，在科研、軍事領域得到廣泛應用。了解、掌握這些換能器的工作原理對相關工作者不無裨益。介紹了縱向換能器的基本結構、工作模式、研究設計方法、及多種寬帶實現思路和相應換能器具有的工作特性等?？v向換能器的多樣設計不僅擴展了工作頻率范圍，也滿足了許多不同的應用目的。

換能器；寬帶；深水；壓電單晶；超磁致伸縮

0 引言

水聲換能器從早期的朗之萬夾心壓電換能器發展至今約有百年歷史，各種各樣的換能器被發明出來。換能器從結構方面分類有：夾心式復合棒結構、彎張結構、三疊片結構、圓管結構、cymbal結構等。為了滿足不同的應用需求，如低頻、寬帶、大功率、小尺寸、重量輕、深水等，其它類型的聲源如電動、電磁、機械、激光等類型的聲源的研究也方興未艾。有源材料方面以各種改性PZT壓電材料、PMNT單晶材料、壓電復合材料、無鉛壓電陶瓷、磁致伸縮材料、電致伸縮材料等為主。各種類型換能器中，復合棒換能器因結構簡單、性能可靠、工作范圍寬(一般在2~200 kHz內)、設計理論成熟，至今仍然在超聲、水聲領域有著廣泛的應用。縱向換能器是一種以復合棒換能器的結構為基礎，通過輻射面結構的變化或耦合其它振動結構、匹配層的使用、不同驅動材料結構和種類的聯合使用，新激勵方式的實施、電路控制實現新工作模式特點的換能器的統稱。通過以上創新，換能器性能達到傳統方式達不到的效果——如帶寬、工作頻率、聲源級、方向性的改善等。本文主要介紹一下縱向換能器發展中一些具有特色的設計思想，供超聲、水聲領域換能器[1]設計者、使用者參考。

1 縱向換能器的結構、工作模式與研究設計方法

縱向換能器由基本的復合棒換能器衍生而來，復合棒換能器是最基本的縱向換能器，了解、掌握復合棒換能器的結構形式、工作模式，設計方法等，對其它形式的縱向換能器的分析、設計可觸類旁通。

1.1 縱向換能器的結構

復合棒換能器基本結構是由喇叭型輻射頭和壓電陶瓷堆、后質量塊，預應力螺桿、電極片等構成。復合棒換能器輻射頭的常見形狀為圓形、方形、六角形等，輻射頭材料多為較輕的金屬和非金屬材料，如鋁、鎂及其合金、環氧等。方形、六角形輻射頭主要是為了在有限空間內實現陣的密排，實際應用中較多采用加工簡單的圓形、方形結構。常見的復合棒換能器陣的形式有平面陣、圓柱陣、共形陣等。圖1為三種復合棒換能器陣[2]。通過組陣可以實現聲源級增大及滿足設計要求的波束寬度等。

圖1 3種復合棒換能器陣

復合棒換能器中有源材料類型如前文所述。有源材料的形狀有圓管、圓環、圓片、方片、圓柱、鑲拼圓環等。換能器中采用不同形狀的有源材料可調節換能器的尺寸、頻率、頻響等聲學特性，以滿足不同的設計要求。

換能器中壓電堆電極間的鏈接方式如下：一般發射型換能器采用并聯連接方式，接收型換能器采用串聯連接方式，也可采用串聯、并聯同時使用的方式，以兼顧、改善換能器的收發性能。鏈接方式示意圖見圖2。

圖2 壓電堆連接方式

后質量塊結構及材料變化較少，主要選擇鋼、銅、鎢等較重的金屬，目的以提高輻射端的發射響應及改善帶寬為主。

圖3中顯示了幾例前文提到的基于不同類型、不同形狀有源材料及不同形狀輻射面的縱向換能器，圖3(a)為稀土Janus圓面縱向換能器[3]，圖3(b)為PMNT壓電單晶六方面縱向換能器[4]，圖3(c)中分別為壓電陶瓷-磁致伸縮混合激勵六方面縱向換能器(左)，壓電單晶-磁致伸縮混合激勵方面縱向換能器(右)[5]，圖3(d)中分別是壓電圓管矩形面縱向換能器制作完成前后對比圖[2]。

圖3 不同形狀的有源材料縱向換能器

1.2 縱向換能器的工作模式

縱向換能器以基本縱振模式為基礎，對復合棒換能器而言，當工作頻率和其固有的縱振頻率一致時，可獲得比非諧振時大得多的功率輸出。當換能器以單一的縱振模式工作時，需要對換能器的尺寸做些假設，即復合棒的直徑遠小于其長度，而復合棒的長度和縱振工作頻率對應波長可比擬，從而可不考慮橫向耦合振動的影響。而為了展寬帶寬，有時會增加棒的橫向尺寸，從而產生更多的振動模態，實現寬帶。當然，換能器設計中優化了某些性能指標，相應的其它一些性能指標就可能有所犧牲，最終需要折中考慮優化設計是否滿足使用要求。除了基本的縱振模式工作及提到的橫向模式外，縱向換能器工作模式還包括增加匹配層的工作模式，使用新驅動材料的工作模式，結構多模態耦合及電激勵方式改變產生的多模態耦合的工作模式，結構模態和液腔模態耦合工作模式，還有基于復合結構的工作模式和基于水介質非線性的參量陣形式工作模式等。后續章節將結合各種縱向換能器介紹其不同特點的工作模式下的聲學特性。

1.3 縱向換能器研究設計方法

縱向換能器是機、電、聲系統的有機結合，對這樣一個耦合系統的分析，常用方法有等效電路法、傳輸矩陣法等。等效電路法有梅森等效電路法和克里姆霍爾茲等效電路法，其中水聲換能器一般較多采用梅森等效機電圖來分析?；舅悸肥墙⒏鞑糠纸Y構運動方程，建立等效電路，通過各部分連接處速度、應力連續，邊界條件的施加等條件，推導出整體結構的機電等效圖。分析機電等效圖，推導出換能器的頻率方程并得到換能器其它的聲學性能參數。該方法的優點是物理概念清晰，但復雜結構的方程推導較困難，且后續計算不容易得到簡單的結果，給工程應用帶來許多不便?？死锬坊魻柶澋刃щ娐贩▽Π缙ヅ鋵拥亩鄬咏Y構方面應用較方便。傳輸矩陣法是把換能器每個部件等效為一四端網絡，級聯相乘各四端網絡構成傳輸矩陣，矩陣形式適合用計算機計算，可方便得到輸入端、輸出端的關系。

目前數值分析方法在換能器仿真設計中也得到了廣泛應用。采用有限元方法對復雜結構換能器進行多物理場耦合、數值仿真求解具有求解快速、結果直觀的特點。基于有限元方法的仿真軟件已成為換能器分析設計相關工作者的得力工具。有限元方法以變分原理和剖分差值為基礎，基本求解步驟是把結構離散化成有限個單元，選取合適的單元形函數，建立起整個連續體近似滿足的方程組，施加邊界條件，求解出未知的量的節點值，根據求解結果進一步可求得其它關心的物理量。換能器工作時是一個多物理場耦合的結果，其中流固耦合問題是個很復雜的問題，采用理論求解困難。而隨著計算機技術的高速發展，使得基于大規模節點的流固耦合數值仿真計算不再昂貴、漫長和難以實現，容易求得數值解，從而為換能器的工程應用設計提供了又一便捷方法。數值仿真技術具有快速、高效地對虛擬換能器進行設計和優化，縮短產品的研制、生產周期，節約成本的優點。

2 縱向換能器的寬帶技術

聲吶系統中希望聲源有較寬的寬帶，因為寬帶聲源不僅有優良的脈沖響應，發射和接收更多的信息，實現對水聲信號的保真處理，更準確獲取目標信息等。聲吶設計者使用了各種方法來研究縱向換能器的寬帶發射問題，設計出許多新類型的縱向換能器。

實現寬帶的方式多種多樣，縱向換能器不同的工作模式都可帶來帶寬的有效增加。常用的增加換能器發射帶寬的方法主要有匹配層技術及新型有源驅動材料技術，多模耦合技術，復合結構寬帶技術等。

2.1 匹配層技術

匹配層技術的研究比較早，相關的理論也很成熟，但受制于無現成的合適的匹配材料，大多都采用人工合成方法制備匹配材料，但制備的合成材料和設計要求有差別，且性能一致性得不到保證，同時為保證水密性，還要在匹配層前包覆水密橡膠，以及成陣中多陣元間輻射阻的變化影響等情況都制約了匹配層技術的應用。雖然匹配層技術理論研究透徹，物理意義明確，但在水聲領域完美地使用該技術還有諸多問題有待解決。

根據不同換能器等效模型，發展了相應的匹配層理論。包括傳統理論(單、雙層匹配層)、KLM模型理論、Mason模型理論、多模式濾波器合成理論、串并聯阻抗相等理論等[6]。多層匹配層技術在超聲領域，尤其是醫療超聲領域使用較為成功，甚至國外有廠家有售相關匹配層、聚焦鏡材料產品[7-9]。由于醫療超聲工作頻率高(MHz)，相應匹配層薄，各種適合的有機合成材料等匹配層相對容易找到且易制作，且換能器工作環境不同于復雜的水聲環境，一般在常溫、常壓狀態下工作，可忽略匹配層材料性能受壓力變化的影響。而水聲工作中頻率較低，匹配層厚度較厚，尺寸增加、重量增加，給安裝使用帶來不便，且在較大深度工作時，匹配層性能受壓力影響產生變化，從而帶來工作可靠性的問題。所以水聲工程中使用匹配層技術方案，一般是不得已為之。即使選用也以1/4波長匹配層理論為主，主要還是從工程的易實施性、可靠性方面考慮的。

單層匹配層技術增加帶寬的原理是通過增加1/4波長厚度的匹配層，使得該頻率下的聲波在理想情況下能無反射地向水中發射，相應匹配頻率點發射電壓響應有所增加，而其它頻率點存在反射，受此影響響應有所降低。同時由于增加了匹配層，相當于半波長復合棒加長，原有縱振諧振點頻率相應地降低了。即增加匹配層后，換能器發射響應由原來的一個峰值變為兩個峰值，分別是由降低的縱振模態和匹配層產生，因此實現了帶寬的展寬。水聲工程中大多采用1/4波長匹配層方案，原因是考慮換能器制作的復雜性、可靠性、匹配層材料的性能穩定性及粘接性等一些工藝問題。當然1/4波長匹配層是個工程近似，匹配層厚度的選擇，根據換能器制作情況適當加以修正。采用匹配層實現帶寬增加效果有限。圖4為匹配層對帶寬的改善情況的原理示意圖。

圖4 匹配層對帶寬的改善

2.2 使用新材料增加發射帶寬技術

壓電單晶PMNT、PZNT等具有高機電耦合系數，可達90%以上。機電耦合系數是個和帶寬成正比的量，壓電單晶材料的高機電耦合系數意味著在換能器中使用壓電單晶材料理論上可獲得更大的帶寬。由于壓電單晶材料屬于偏“軟性”的壓電材料，類似PZT-5，在高頻醫療超聲成像中取得了比傳統壓電陶瓷更優異的性能：帶寬更寬，脈沖波形好；同時在低頻高靈敏度水聽器方面得到應用，但在發射換能器方面的大規模使用還存在一些問題。壓電單晶材料能量密度高，但材料具有較低的矯頑場，退極化場低，居里溫度低，生長困難，成本高，因此單晶材料還有待改進以適合用于低頻、大功率發射方面。壓電單晶復合棒也可采用上文提到的各種結構形式，圖5(a)中為16個壓電單晶柱共尾質量復合棒及其組裝圖[10]，在15~50 kHz發射電壓響應不小于145 dB，5(b)為2種同頻工作的縱向換能器尺寸比較[11]，圖5(b)中左邊的驅動材料為壓電單晶PMN、右為PZT-8。采用壓電單晶發射電壓響應提高4 dB，且尺寸縮小30%，工作頻率約為16~53 kHz。簡單地采用壓電單晶替換PZT的縱向結構增加帶寬的效果遠沒人們期望的那么高[12]，但從圖3(c)及圖5(b)可知，采用新材料后換能器結構尺寸大大減小，具有應用于小尺寸、大功率換能器的發展潛力。

圖5 壓電單晶縱向換能器

2.3 多模耦合寬帶縱向換能器

這里說的多模耦合是基于結構的縱振模態和其它的振動模態的耦合。多模耦合技術實現方式包括復合棒的縱振和輻射面的彎曲構成的縱彎耦合，采用質量-彈簧-質量-彈簧-質量結構的雙激勵多模耦合，結構形式如雙壓電激勵和壓電(單晶)-磁致伸縮(Hybrid)耦合激勵類型，多彈簧質量系統類型的多模耦合方式，復合棒和液腔組合的多模耦合方式。多模耦合設計較復雜，實現寬頻帶內電壓響應小的不均勻性有一定困難，輔助采用其它寬帶技術如匹配層技術、電路負反饋控制激勵等可得到一定的改善。

圖6(a)中為縱彎耦合復合棒換能器實物和結構剖面圖[2]，該換能器工作頻率為2.5~10 kHz，聲功率達600 W，工作深度約600 m，主要應用于艦艇基陣上。圖6(b)為壓電-磁致伸縮雙激勵復合棒換能器(Hybird)水密前后圖[13]，Hybrid換能器除了具有多模態寬帶工作特點外，還具有自電諧調、單向輻射性[14]。圖6(b)中Hybrid結構比同工作頻率的壓電復合棒縮短約一半，該換能器分別產生由磁致伸縮材料控制的1.8 kHz和壓電堆控制的3.5 kHz兩個諧頻，換能器在1.5~6 kHz頻帶產生不小于140 dB的發射電壓響應，帶寬不小于1個倍頻程。圖6(c) 為文獻[15]提到的多彈簧質量多激勵復合棒換能器，未介紹性能。圖6(d)為使用無源材料的多彈簧質量系統復合棒及加匹配層的無源材料的多彈簧質量系統復合棒換能器[16]。此多彈簧質量系統縱向換能器可實現12~40 kHz測試范圍內發射電壓響應不小于130 dB。

圖6 幾種多模耦合寬帶縱向換能器

半壓電堆施加激勵的寬帶換能器[17,18]如圖7所示。常規的壓電堆整體采用并聯連接方式，由于電學邊界條件的對稱性只能產生奇數階諧頻。半壓電堆施加激勵方式則是一半壓電堆按正常方式連接，而另一半不施加任何電壓，除了產生奇數階諧頻外，還可產生偶數階諧頻，從而擴展了工作帶寬，同時采用負反饋電路可以改善頻帶內的響應不均勻性。采用階梯電壓激勵壓電堆產生的不同模態對低頻段響應的不均勻性也有一定的調節作用。該換能器在10~40 kHz的頻帶上獲得了不小于125 dB的電壓響應。做成的36陣元獲得了220 dB的聲源級。

2.4 復合結構寬帶縱向換能器

復合結構則是在縱向換能器基本結構基礎上，利用其它新增結構如圓管腔體、彎張殼體等新產生的模態，從而實現帶寬的增加。

一種稱為MMPP[19,20]的復合結構的換能器如圖8(a)所示。換能器由縱振結構和圓柱殼圍成，利用縱振模態和液腔諧振模態及其它高階模態耦合實現寬帶發射，同時換能器由于利用了溢流腔體，使其在水中工作時內外壓力平衡，實現在大深度水中工作。換能器在1.3~13 kHz聲源級可達192 dB，700 m深度大功率工作，性能正常。另一種利用亥姆霍茲共鳴器和Janus結構的換能器實現低頻寬帶發射[21]如8(b)中左圖所示，此換能器應用于AUV設備上，工作中心頻率500 Hz，聲源級200 dB(1μPa@1m)，帶寬100 Hz，尺寸Ф50X29 cm，空氣中重400 kg，水中250 kg，可在遠距離1000 km實現100 bit/s的傳輸速率。圖8(b)右[22]中janus- helmholtz在90°方向開口是為了軸向無指向性工作。結構中使用順性管，一方面可增加源級，另一方面可調節腔體共振的頻率，當然由于順性管的耐壓性問題使得其在大深度工作受到限制。另一種大尺寸的該類型換能器，頻率低至160 Hz，聲源級可達205 dB，重量約1000 kg，可實現4000 km的遠距傳播，最大工作深度可達1200 m。

圖7 改變激勵方式的寬帶縱向換能器及基陣

圖8 采用復合結構的深水寬帶縱向換能器

Morozov[23-26]等人提出一種由Janus換能器結合機械結構調節亥姆霍茲腔體尺寸的低頻、寬帶、可大深度工作的換能器，采用電池組供電，可長時間應用于海洋監測和海洋聲層析研究，圖9(a)為結構示意圖，9(b)為換能器實物圖，9(b)中黑色為換能器，白色為控制箱。換能器采用溢流結構，可工作于深水，控制箱部分解決了耐壓問題，工作深度不受限制，在2000 m正常工作，設計工作深度達5000 m。通過機械結構調節Janus換能器兩邊的亥姆霍茲腔體長度來改變諧振頻率的變化，換能器工作頻率可調范圍在200~300 Hz，壁厚加厚后，頻率有所上升，結構重500 kg，聲源級可達195 dB/μPa。

圖9 采用可調亥姆霍茲腔體結構的深水寬帶縱向換能器

Raymond等人提出一種把輻射頭改為彎張殼結構的復合換能器結構如圖10所示[27]，為了隔離彎張殼頭內外振動反相引起的聲源級降低的問題，在彎張殼頭部分加蓋板來解決。復合結構可產生彎張、徑向、縱振模態，在0.5~4 kHz實現了寬帶發射，源級不小于120 dB。圖11[28]中采用IV型彎張殼體和縱向振動產生的多模耦合的結構形式增加帶寬，滿足聲管測量的小型化、寬帶的使用要求。

圖10 彎張殼頭換能器

圖11 彎張復合棒寬帶換能器

2.5 其它特色縱向換能器

其它一些特色的寬帶縱向換能器還有很多，選取幾種供參考。

參量陣發射方式可獲得低頻、寬帶信號。其原理利用兩個高頻縱向換能器發射大振幅波，在水介質的非線性作用產生低頻差頻聲波，高頻信號的少許改變帶來低頻差頻的大帶寬。該聲波信號同時具有窄波束的特點。不足之處是轉換效率低，功率小，應用中需權衡利弊。一種集成的縱向結構的參量雙模發射換能器結構如圖12[29]所示，圖中9個小復合棒一方面組成高頻發射聲源，參量信號發射，另一方面它又作為低頻發射結構的輻射面，參量發射產生的差頻信號與整體結構產生的縱振頻率一致，實現單一換能器的雙模使用，多頻段的信號發射。

圖12 參量陣形式的復合棒換能器

狀態轉換激勵復合棒換能器如圖13所示，圖13(a)為換能器實物圖，圖13(b)為換能器及控制電路示意圖。通過電路控制，激勵過程中產生開路和短路兩種剛度，從而達到工作頻率的改變。利用其產生800 Hz、1000 Hz兩種頻率的信號，滿足水聲通信要求[30]。寬帶寬波束換能器[31]如圖14所示。通過改變輻射端蓋的結構形式，在保持較小的輻射端面實現寬波束的發射要求的同時，又利用輻射蓋板的彎曲模態實現寬帶發射，后質量塊采用桶型嵌套，在減小了縱向尺寸的同時又實現了較低的工作頻率。其它如端蓋開槽、開孔等結構的增加帶寬及單向發射的換能器，不再詳述，可參看文獻[32-35]。

圖13 狀態轉換雙頻換能器

圖14 寬波束換能器

3 結 論

新理論、新材料、新結構是換能器性能提高的重要創新技術方向。本文所提到的各種縱向換能器均體現了研究者的巧妙設計新思想，包括利用不同結構、材料、理論的結合，實現縱向換能器工作頻率低頻范圍擴展至160 Hz，帶寬也顯著增加。這些都大大拓寬了縱向換能器在水聲領域的使用范圍；采用壓電單晶等新材料實現了換能器尺寸多達50%的減小的同時，發射響應還有提高，為縱向換能器的大功率、小型化設計開辟了方向；而janus-Helmholtz等溢流結構形式可應用于低頻、寬帶、大深度的水聲設備系統。采用這些研究成果研制的縱向換能器極大地豐富了換能器家族的成員，成為人類開發利用海洋的得力助手。本文對換能器的設計、研制者思路拓寬，對使用者了解換能器也可提供有益參考。

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Progress in research and design of broadband longitudinal transducers

LIUHui-sheng1,2, MO Xi-ping1

(1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The compound bar transducer occupies an important position in sonar systems because of its simple structure, reliable performance, etc. With the emergence and development of new functional materials and new theories of the transducers, various longitudinal transducers derived by the compound bar transducers are developed continuously, and widely used in scientific research and military fields. Understanding and mastering the working principles of these transducers is not without benefit to the relevant workers. This article describes the basic structures, working patterns, research and design methods, broadband realization ideas and the corresponding working characters of longitudinal transducers. The diverse designs of longitudinal transducers not only extend operating frequency ranges of the compound bar transducer, but also meet the many different application purposes.

transducer; broadband; deep water; piezoelectric single crystal; giant magnetostrictive

O421+.2

A

1000-3630(2014)-06-0564-08

10.3969/j.issn1000-3630.2014.06.017

2014-01-07;

2014-04-30

劉慧生(1974－), 男, 高級工程師, 博士研究生, 研究方向為水聲換能器與測試技術。

劉慧生, E-mail: liuhsh@163.com