水中探测超声换能器研究

　　1 引言

　　目前,大多数深海探测应用的是低频大功率声纳。然而,近海的环境噪声场很复杂,在工作过程中,声纳的观测条件在时间和空间上会有很大变化,目标的复杂性、介质不均匀性引起的混响以及各种环境噪声对接收信号都有影响,声纳的功率大小在这种环境下将直接影响测量效果,因此,浅海水域和近距离的信号探测中,不适合应用低频大功率声纳。超声换能器是检测伴随超声波传播的声压或介质形变的装置,利用压电效应可检测由声压作用产生的振动。由于超声波的波长较短,近似可以作直线传播,在液体中衰减比电磁波小,能量容易集中,可形成较大强度,产生激烈振动,并能引起很多特殊作用,所以,水下探测采用高频低功率声纳是比较有效的手段。主动声纳具有频率高(几十到几百kHz)、波长短、绕射现象小、方向性好和发射器体积小等优点,它的抗干扰能力很容易提高。

　　2 振动模式的确定

　　产生和接收超声波的方法较多,其中压电换能器是目前常用的可逆超声换能器。超声换能器中包括一个振动体,从声学理论上讲,振动体的声波辐射是一个很重要的问题。压电元件的振动模式,不仅依赖于元件的形状,而且依赖于这个形状对晶轴的相对关系以及电场的取向。当压电晶片受外电场作用时,产生与外加交变电压相同频率的振动,对不同切割方式和极化方式的晶片,存在两种振动模式:厚度振动模式和径向振动模式[1]。

　　在水中近距探测的超声换能器为厚度振动模式,即晶片沿厚度方向上作一维振动的工作方式。压电元件常被做成简单的形状,最常见的是平片。在激发超声时,加在元件上的电场,或者是持续谐振的,或者是短暂的,元件随时间作尺度变化,即作稳态的或瞬态的振动。压电元件的振动模式,不仅依赖于元件的形状,而且依赖于这个形状对晶轴的相对关系以及电场的取向。为了适应浅海环境,采用圆形活塞换能器,将多个压电元件构成的圆形活塞换能器作振元,均匀分布地贴在一个锥台上,形成伞形针状离散波束,即在360°空间内,每60b有一个波束,两个对称波束中轴的夹角为120°。这种换能器中对发射或接收性能影响最大的部分是压电圆片背后的声阻尼材料,压电圆片前面的保护膜片所接触的载声介质也将影响换能器的发射或接收性能。

　　图1是一片极化过的压电陶瓷,极化方向沿x3轴。为了能够施加外电压(发射时)或为了测量薄片的输出电压(接收时),在垂直于x3轴的上下两个大端面上镀上电极。令作用于上下两端面的总压力分别为F1、F2,它们或者是因施加了外电压,由逆压电效应产生;或者是外加的应力,促使压电片因正压电效应而输出电压V.在图1的换能器结构中可见,压电片的两个端面的一面接触着吸声的背衬,另一面通过保护膜片而接触换能器外面的负载。当只考虑压电晶片厚度方向的机械振动时,它服从受迫振动定律,即