[发明专利]多模宽带圆弧阵换能器

说明书

技术领域

本发明属水声探测技术领域，具体涉及一种利用宽带换能器的压电复合材料的压电效应发射和接收水声信号而实现水中探测的换能器，可广泛用于水下通信、探测、目标定位、跟踪等，是声纳使用的重要部件。

背景技术

水声换能器是将声能和电能进行相互转换的器件，其地位类似于无线电设备中的天线，是在水下发射和接收声波的关键器件。水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。换能器可分为发射型、接收型和收发两用型。将电信号转换成水声信号，并向水中辐射声波的换能器，称为发射换能器，发射换能器要求有比较大的输出声功率和比较高的电声转换效率。用来接收水中声波信号，将其转换成电信号的换能器为接收换能器，也常称为水听器，对接收换能器则要求宽频带和高灵敏度。既可以将声信号转换成电信号，又可以将电信号转换成声信号，用于接收或发射声信号的换能器称为收发换能器。

声纳是水声探测的重要设备。现行提高声纳性能的重要途径之一是拓展换能器的频带宽度。较宽的工作频带可提高换能器信号处理的增益，因为宽带信号相干处理，可使系统获得很高的增益和更远的探测距离；宽带信号脉冲压缩，可提高换能器基阵的分辨率。而现代信号处理技术要求换能器阵基元必须具有足够的带宽，否则将会造成信号失真或影响信号处理的效果。

目前宽带换能器的典型需求是前视多波束声纳，通常安装在猎雷艇船鼻艏，采用弧状复合材料基阵构成圆弧阵换能器，用于广角探测前方水雷等破坏性目标。这种换能器基阵对换能器带宽提出了较高要求。

现行的拓宽换能器带宽的方法主要有两种(徐钧，俞宏沛，李建成，纵振换能器拓宽频带的方法综述，声学与电子工程，Vol 72(4)：17-21，2003)：(1)降低换能元件的机械品质因素(Q值)，(2)换能器元件采用振动耦合。基于单模(单一谐振频率)工作的换能器，其带宽特性是通过机械Q值来表征，Q＝fr/Δf(fr为谐振频率，Δf是电导响应下降3dB的频带宽度)，Q值越低，带宽Δf越大。机械Q值写成Q＝ωMR(其中ω为圆频率，R为换能器的辐射阻，为机械损耗阻和电损耗阻之和，而M为换能器的等效质量)。很明显换能器要降低Q值获得宽频带，需增加R阻值，最有效的办法是增大换能材料的损耗。一种常用的方法是在传统压电陶瓷中加入柔性聚合物，增加材料的损耗，降低Q值，如近30年出现的压电复合材料(E.Koray Akdogan，Mehdi Allahverdi，Ahmad safari，Piezoelectric Composite for Sensor and Actuator Application，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control.Vol 52(5)：746-773)，它在压电陶瓷中加入环氧树脂、橡胶等聚合物制成低Q值、低声阻抗、高机电耦合的复合材料，尤其是1-3型复合材料现已广泛用于宽带换能器的制作(陈俊波，王月兵，仲林建，1-3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析，声学与电子工程，Vol 87(3)：25-27，2007)。

基于振动耦合拓宽频带的基础是多模态耦合理论(张文波，王明洲，郝保安，一种多模宽带水声换能器的设计，鱼雷技术，Vol 16(2)：31-33，2008)。通常一个换能器振动系统存在多种模态，如果能够使换能器振动系统的2种或2种以上振动模态相互靠近并耦合，在较宽的频率范围内同时工作，或通过调节一种模态的高次倍频与另一种模态的基频耦合，则将形成复合多模振动，通过合理的设计压电振子的结构，使相邻两振动模对应的两个谐振频率合理分布，即两模态对应的阻抗频谱曲线峰值下降3dB相交，如图1所示，即能有效地拓展换能器的工作带宽(Qingshan Yao and LeifBroadband Tonpilz Underwater Acoustic Transducers Based on Multimode Optimization，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，Vol 44(5)：1060-1066，1997)。图2为双模耦合换能器的响应曲线，纵轴为换能器的发送电压响应(TVR)，f₁为换能器纵向振动模态的谐振频率，f₂为换能器弯曲振动模态的谐振频率，显然叠加后曲线的频带得到大幅度扩展。