二階鑲拼圓管矢量接收換能器研究

程振閱，趙榮榮，馬雄超，于祥龍

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

0 引 言

矢量水聽器可以同步、共點(diǎn)地獲取聲場(chǎng)中的標(biāo)量和矢量信息，為后續(xù)的信號(hào)處理拓展了空間，也為水聲探測(cè)技術(shù)提供了新的思路和方法[1]。壓差式矢量水聽器是矢量水聽器中最常見的一種類型，其原理是通過(guò)獲取聲場(chǎng)中某兩點(diǎn)之間的聲壓差值和距離差值，然后根據(jù)有限差分近似的方法計(jì)算得出兩點(diǎn)聲中心連線中心點(diǎn)處的聲壓梯度，進(jìn)而得到聲場(chǎng)的矢量信息[2-3]。

矢量水聽器的余弦指向性波束寬度較大，為了解決在同一個(gè)波束中的目標(biāo)分辨問(wèn)題，人們提出可以獲得高指向性的二階矢量水聽器[4]。通過(guò)對(duì)徑向極化圓管的電極進(jìn)行分割可以得到二階矢量水聽器，然而其二階模態(tài)下的靈敏度不高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到限制。鑲拼圓管采用切向極化的壓電陶瓷條粘接而成，與徑向極化的圓管相比，具有更高的壓電轉(zhuǎn)換效率，因而在用于水聲信號(hào)的接收時(shí)其靈敏度也將得到提高[5-6]。

本文將切向極化的鑲拼圓管用作接收換能器，通過(guò)對(duì)其電極的劃分以及壓電陶瓷條極化方向的調(diào)整，設(shè)計(jì)得到了一種高靈敏度的二階矢量接收換能器。

1 二階鑲拼圓管矢量接收換能器設(shè)計(jì)

二階鑲拼圓管矢量接收換能器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，鑲拼圓管采用32片壓電陶瓷條粘接而成，圓管共包括8路開路輸出電壓信號(hào)和1路接地參考電壓信號(hào)，接地輸出信號(hào)為8個(gè)接地電極的并聯(lián)輸出，接地電極將圓管劃分為8部分，每一部分中的四片壓電陶瓷條的極化方向以開路輸出信號(hào)電極為對(duì)稱軸對(duì)稱分布，位于開路輸出信號(hào)電極與接地電極之間的壓電陶瓷條的極化方向相同。8路開路輸出電壓信號(hào)組合得到矢量接收換能器的一階以及二階矢量分量通道，其中，電極A1與電極A2經(jīng)過(guò)減法器相減后得到鑲拼圓管矢量接收換能器x方向一階矢量分量；電極B1與電極B2經(jīng)過(guò)減法器相減后得到鑲拼圓管矢量接收換能器y方向一階矢量分量；電極C1和電極C3、電極C2和電極C4兩兩并聯(lián)后經(jīng)過(guò)減法器相減輸出得到鑲拼圓管矢量接收換能器二階矢量分量。

圖1 鑲拼圓管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of a segmented ring

2 理論分析及仿真

本文設(shè)計(jì)的二階鑲拼圓管矢量接收換能器包含兩個(gè)一階分量以及一個(gè)二階分量，指向性以及靈敏度是衡量換能器接收特性的重要指標(biāo)，下面對(duì)設(shè)計(jì)的接收換能器的指向性進(jìn)行理論分析，并且對(duì)其靈敏度進(jìn)行有限元計(jì)算仿真。

2.1 指向性理論分析

在諧和平面波中，若只研究xOy平面，聲壓可以表示為

矢量接收換能器的兩個(gè)一階分量分別對(duì)應(yīng)以上兩個(gè)一階偏導(dǎo)(式2(a)、2(b))，二階分量對(duì)應(yīng)二階混合偏導(dǎo)(式2(c))。

一階分量對(duì)應(yīng)的x方向的偶極子指向性如圖2(a)所示，一階分量對(duì)應(yīng)的y方向的偶極子指向性如圖2(b)所示，從圖中可以看出，偶極子指向性圖-3 dB波束寬度為90°。二階分量對(duì)應(yīng)的四極子指向性如圖2(c)所示，其-3 dB波束寬度為45°，二階分量指向性圖的-3 dB 波束寬度明顯比一階分量指向性圖更為銳化。

圖2 矢量接收換能器的理論指向性Fig.2 Theoretical directivity patterns of the vector receiving transducer

2.2 有限元計(jì)算仿真

本文采用有限元軟件對(duì)劃分電極后的鑲拼圓管矢量接收換能器進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)建模仿真分析。在仿真計(jì)算中涉及到的壓電陶瓷材料選用 PZT-4；對(duì)相同尺寸的徑向極化圓管以及切向極化鑲拼圓管在13～19 kHz頻率范圍的靈敏度進(jìn)行仿真計(jì)算。

切向極化鑲拼圓管以及徑向極化圓管的一階及二階矢量靈敏度如圖3所示。從仿真結(jié)果可以看出，在仿真的頻率范圍內(nèi)，切向極化圓管一階類偶極子靈敏度在-173 dB左右，二階類四極子靈敏度在-188 dB左右，二階量比一階量低15 dB；徑向極化圓管一階類偶極子靈敏度在-185 dB左右，二階類四極子靈敏度在-200 dB左右，二階量比一階量低 15 dB。對(duì)比仿真結(jié)果可知，切向極化圓管與同樣尺寸的徑向極化圓管相比，一階及二階矢量靈敏度均提高12 dB左右。

圖3 靈敏度仿真曲線Fig.3 The simulated sensitivity curves

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

按照仿真時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)鑲拼圓管，并進(jìn)行聚氨酯水密封裝處理，得到的二階鑲拼圓管矢量接收換能器如圖4所示。

圖4 換能器實(shí)物圖Fig.4 The picture of the developed transducers

在消聲水池中利用比較法得到鑲拼圓管矢量接收換能器x方向與y方向的一階分量以及二階分量的自由場(chǎng)聲壓靈敏度曲線，如圖5所示。從圖5可以看出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

圖5 矢量接收換能器靈敏度仿真與測(cè)量曲線Fig.5 The simulated and measured sensitivity curves of the vector receiving transducer

對(duì)二階鑲拼圓管矢量接收換能器在13、16 kHz以及19 kHz指向性進(jìn)行測(cè)試，其中16 kHz的一階矢量x方向分量、一階矢量y方向分量以及二階矢量的指向性圖如圖6所示，與理論分析的指向性吻合較好。

圖6 矢量接收換能器實(shí)測(cè)指向性圖Fig.6 The measured directivity patterns of vector receiving transducer

二階鑲拼圓管矢量接收換能器各個(gè)矢量通道在13、16 kHz以及19 kHz指向性圖-3 dB波束寬度的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 矢量接收換能器在不同方向和不同頻率的-3 dB波束寬度Table 1 The -3 dB beam-widths of the vector receiving transducer in different directions and at different frequencies

從表1中看出，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)，一階矢量類偶極子指向性-3 dB 波束寬度在95°左右，二階矢量指向性圖-3 dB波束寬度在40°左右，二階矢量指向性圖波束寬度明顯比一階矢量指向性圖波束寬度更加銳化。鑲拼圓管矢量接收換能器類偶極子指向性和類四極子指向性-3 dB波束寬度的實(shí)際測(cè)試結(jié)果與指向性理論分析時(shí)的結(jié)果存在一定的誤差，這是由于理論分析時(shí)將接收換能器視為點(diǎn)接收器，沒(méi)有考慮到鑲拼圓管實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)鑲拼圓管中電極的劃分以及壓電陶瓷條極化方向分布的調(diào)整，設(shè)計(jì)得到一種二階矢量接收換能器。對(duì)其指向性進(jìn)行理論分析，并對(duì)其靈敏度進(jìn)行仿真，最后制作換能器樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，得到的實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

根據(jù)仿真以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的二階鑲拼圓管矢量接收換能器一階矢量靈敏度在-173 dB左右，二階矢量靈敏度約-188 dB，其一階矢量與二階矢量靈敏度與徑向極化圓管相比均得到提高；鑲拼圓管矢量接收換能器二階矢量指向性圖波束寬度明顯比一階矢量指向性圖波束寬度更加銳化。

本文通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了鑲拼圓管用于矢量接收的可行性。鑲拼圓管矢量接收換能器與徑向極化分割電極的矢量接收換能器相比，靈敏度得到了提高，電極劃分更靈活，可以滿足更加廣泛的工程應(yīng)用需求。