双激励加匹配层宽带水声换能器研究

　　1 引言

　　水声信号处理技术的迅速发展, 需要从水声换能器上获取更多的信息, 尤其是小目标探测声呐,这就促进了宽带水声换能器的发展。宽带水声换能器主要是指在较宽的频带内具有较平坦的发送电压响应。由于单一振动模态换能器带宽受降低机械值的限制(Qm=fr/Δf, fr为单一谐振频率, Δf为电导下降3dB的频带宽度), 目前已突破了单模、单谐振的概念来拓宽换能器工作频带的方法, 特别是纵振复合棒换能器由于便于布阵、机电转换效率高、性能稳定可靠等优点, 国内外学者对其频带展宽技术进行了大量的研究[1-8]。利用双谐振拓宽频带的换能器已得到工程应用, 如单匹配层, 纵弯耦合等, 通常能获得近一个倍频程的带宽。为了进一步拓展换能器的工作带宽, 本文对三谐振换能器进行了研究, 主要研究思路为通过构建换能器多谐振频响特性, 实现换能器宽带且高效工作, 即利用双激励加匹配层方法获得三谐振较好耦合的宽带特性。文中给出实现宽带工作的机理和设计方法, 介绍了制作的工作带宽为15kHz～42.5kHz纵向换能器的声学特性, 理论计算结果和实验结果较为一致。

　　2 双激励加匹配层换能器机理分析

　　单模工作的换能器, 其Qm很难做到3以下[1],要想进一步拓宽频带, 只能采取多模振动。双激励换能器是通过振子第一谐振频率和第二谐振频率的合理选择来拓宽换能器的频带, 通常两个工作频率不能分隔的太远, 否则发送电压响应、导纳响应曲线会在双频之间产生较大的凹谷而影响换能器宽带工作特性。定性上讲, 其低频工作时, 前盖板、前晶堆和中间质量块共同构成等效前盖板; 高频工作时, 后盖板、后晶堆和中间质量块共同构成等效后盖板; 中频工作时, 由前后晶堆共同工作, 从而展开频带。在对发送电压响应要求不是很高的场合下, 采用双激励源拓宽频带是十分有效的。双激励加匹配层是通过增加双激励两频率间隔拓宽频带, 同时在双激励的两频率之间引入匹配层产生第三谐振以得到更平坦的发送响应, 这是因为匹配层能与前后两模态产生较好的耦合, 匹配层的作用有两个: 第一, 产生第三谐振; 第二, 实现某一频段的声阻抗匹配, 从而向水中辐射较大的声能量。匹配层厚度一般取1/4 波长[9], 声特性阻抗选择适当时, 在宽频范围内其声强透射系数值可达95%。

　　3 换能器设计与制作

　　3.1 换能器结构与模态分析

　　双激励加匹配层换能器结构图如图1所示。

　　其在水中的有限元模型如图2所示。本文计算提取了它在空气中的前三阶模态(见图3、图4、图5), 第一阶模态(19.416kHz)和第三阶模态(40.483kHz)分别对应着双激励换能器的两个模态, 第二模态(35.919kHz)为匹配层的模态。如何调节这三个模态在水中的耦合振动, 以实现换能器宽带特性, 则是优化设计的关键。