一種上半空間指向性的水聲發射換能器結構設計

孫昕+周益明+張世海

摘 要：本文討論了一種具有上半空間指向性的水聲發射換能器的結構，采用半液腔壓電圓管換能器實現了上半空間指向性，在換能器結構中采用吸聲錐形障板加反聲障柱的方法，實現換能器的垂直向上的窄波束指向性。同時也提高了測量裝備在邊收邊發方式下的聲隔離度，有效抑制了收發換能器間的聲串漏。通過對實物測試，系統聲學收發隔離效果達到35dB以上，該換能器結構設計的有效性得到了驗證，并將在裝備研制中得到應用。

關鍵詞：水聲換能器；上半空間；指向性

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

0.引言

在一種潛標式水聲測量裝備中，需要研制一種具有上半空間指向性的水聲換能器，接收來自上半空間的水聲信號，同時并以較窄的垂直向上波束（±70度）實時轉發信號，即所謂邊收邊發工作方式。因此在該換能器的設計中，需要重點解決以下兩個關鍵技術：一是設計實現一種具有上半空間較窄發射指向性的換能器；二是實現在邊收邊發方式下的聲隔離度及串漏抑制技術。為了解決上述問題，設計了一種具有上半空間指向性的水聲發射換能器的結構，采用新型半液腔溢流式壓電圓管換能器實現了上半空間指向性，在換能器結構中采用吸聲錐形障板加反聲障柱的方法，實現換能器的垂直向上的窄波束指向性。同時也提高了測量裝備在邊收邊發方式下的聲隔離度，有效抑制了收發換能器間的聲串漏。

1.上半空間發射指向性的換能器設計

壓電圓管水聲換能器是水聲領域中應用比較廣泛的換能器之一，它具有結構簡單、工作特性穩定的特點。相比壓電圓管水聲換能器來說，溢流式圓管換能器結構形勢更為簡單，其最大特點是不受工作水深的限制，通過對液腔諧振峰的應用可以降低工作頻率，也可以拓展工作頻帶。溢流環可以簡單的描述成中空的圓管結構，中間為可自由溢流式的液腔，充滿了海水等流體介質。溢流式圓管換能器在水中工作時存在兩種諧振模式：一種是換能器圓管殼體的徑向振動，另一種是換能器圓管內部水柱的液腔諧振。當溢流環浸沒在水中時，通過施加低頻電場激勵溢流環產生某種形式的振動（如徑向），從而進一步激勵溢流環的液腔發生同頻振動，由于液腔的固有頻率相對較低，所以溢流環可在較低的頻率上向外輻射聲能。這兩種諧振模式耦合在一起使得換能器的諧振頻率降低，發射帶寬展寬。王濤等指出，換能器液腔振動主要決定于腔體尺寸（管高H與內半徑等）和液體特性；徑向振動則主要由圓管的平均直徑Dm和材料等決定。振動間的耦合程度主要決定于高度直徑比H/Dm。當圓管很短時，兩種振動耦合很強，換能器在強耦合狀態下的頻率響應為一單峰曲線；隨著 H/Dm的增大，耦合逐漸減弱，頻帶展寬，因此通過合理地設計換能器的結構尺寸，恰當地利用這些振動模式可得到較寬的頻率響應。

由于在測量系統所要求發射換能器技術指標為中心頻率20kHz，指向性為垂直上半空間開角大于±70°，聲源級大于180dB的發射響應。而圓管換能器水平指向性的特點已無法保證上半空間指向性要求，因此換能器設計結構采用一種改進的新型半液腔溢流式圓管換能器，由于換能器需要向上半空間均勻輻射聲能，結構采用半液腔圓管換能器。利用半液腔振動與陶瓷環的徑向同相位振動，可以實現在上半空間內的均勻輻射聲場，其利用換能器內部水柱的液腔諧振和徑向諧振可獲得良好的頻帶響應和指向性。換能器的安裝方式采用開口朝上，下部引出水密接插件，與電子罐連接。采用ANSYS有限元計算軟件，對換能器的指向性進行仿真計算，其結果如圖1所示，從圖可看出在-6dB點的上半空間開角大于180°。圖2為其結構示意圖。

2.換能器聲隔離度及串漏抑制技術實現

我們一般用聲隔離度來定義換能器接收到該信號幅值與發射信號幅值的差值。研究表明，聲隔離度主要由以下幾個方面共同綜合產生：（1）空間距離衰減；（2）殼體障板特性隔離；（3）接收和發射換能器指向性隔離；（4）干擾抵消信號處理算法。同時在邊收邊發方式下，系統轉發的信號也會通過接收換能器串漏至接收通道內，為了避免二次轉發導致的測量信息模糊，從換能器結構上應盡量在物理層上增加隔離度。只要發射換能器的設計及收發換能器布置方式所產生的收發隔離度在物理層上達到35dB以上就可滿足系統使用要求，從圖2仿真結果看，換能器雖然滿足上半空間的指向性要求，但是存在較大的向下輻射聲能量。由于系統有邊收邊發工作模式，這種向下輻射的聲能量在系統工作過程中是不允許存在的，或者是不能超過某一個設定聲源級的，應當越小越好，我們將其定義為聲串漏。然而，在有限的尺度范圍內，由于聲波衍射效應的存在，想要抑制這種聲串漏，通過單一障板的辦法已不可行。為了實現后輻射串漏抑制，在此采用了吸聲錐形障板加反聲障柱的方式。通過水池測試，發現該手段效果較為明顯，實物如圖3所示，測試結果如圖4所示。

對比換能器在增加障板前后的指向性圖可知，換能器向下輻射聲能量被吸聲障板抑制掉20dB，最小處的聲輻射比主瓣小26dB，可見，這種聲串漏抑制方法是有效可行的。同時為了增加收發隔離度，必須進一步抵消聲波從發射換能器向水聽器的聲傳導。采取在水聲裝備的電子罐頂端加裝反聲軟障柱，可以在聲傳播路徑上實現自適應聲抵消，這是提高收發隔離度的第二步關鍵手段。通過這兩種手段，使系統聲學收發隔離效果達到35dB以上。

結語

文章提出一種用于水聲測量中頻寬帶圓管換能器結構，采用半液腔圓管換能器加吸聲錐形障板加反聲障柱的方式，實現了系統邊收邊發下，換能器的上半空間較窄指向性和較好的聲隔離度及串漏抑制，仿真及實測結果表明，采取上述措施后的換能器很好地達到了設計要求。在該水聲裝備的結構設計中對接收和發射換能器的空間布局做空間優化后，實現空間距離上的衰減，將進一步提高系統聲隔離度。采取上述措施后，系統可獲得約40dB左右的隔離度。這些結果都為該型水聲裝備提供有力支撐。

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