反声障板对球形换能器指向性的影响

　　指向性是水声换能器或水声换能器阵的重要指标之一。根据不同的用途，对指向性的要求也不一样，当需要定位准确时，需要指向性比较尖锐甚至是针型的;当用来探测或者预警时，希望各角度响应起伏不要太大，不要出现死角，就需要换能器或者基阵的指向性角比较宽。

　　压电圆球换能器是无指向性的，障板存在时球形换能器的指向性会发生明显的变化。在障板不可去除的情况下，研究障板对球形换能器指向性的影响具有重要的实用意义。障板的性质、球心到障板的距离和工作频率等对指向性的影响很大。如果是全吸声障板，到达障板的声波没有反射，无障板的一面指向性基本还是均匀的;如果是反声障板，因为障板的反射造成声场叠加，指向性曲线多呈“手指”状，由于凹谷的存在，探测和预警会出现死角，这是非常危险的。

　　本文研究球心到反声障板的距离对换能器指向性的影响，通过调整球心距离改善甚至消除凹陷情况，避免“梅花”状的出现，在工作频率获得平滑的指向性。

　　1 带障板球形换能器声场计算

　　换能器主要由球型压电材料、泡沫反声障板、后盖板三部分组成，结构外由橡胶灌注而成，结构如图1所示。单纯的球形压电换能器结构比较简单，由于它结构空间对称，在空间具有均匀的指向性，常用来做点源做全向辐射换能器及接收换能器。带障板球形换能器，声场较为复杂，声场如图2所示，远场中一点P处的声压由两部分组成，一部分是直达波贡献，另一部分通过泡沫反声障板反射一次后到达，这就相当于波是从虚源发出到达P点[1-4]。

　　球壳半径为a，球心距声障板d，脉动声压为Pr，则有

　　声障板是软边界，反射声压相位改变180º，设反射系数为η ，所以合成声压

　　其中，

　　加障板后，换能器不再具有均匀的空间指向性，其指向性受工作频率、球心到泡沫反声障板的距离和障板的反声系数等因素的影响。

　　2 理论仿真

　　换能器在谐振频率，具有振动幅度大、工作性能稳定、阻抗低、发射响应高和工作效率高等优势。选择合适的压电小球，使换能器的谐振频率恰为所需的工作频率。根据实际情况，反声障板无法去除，取反声障板的厚度远大于波长，反声系数取0.95。

　　随着换能器老化，其频率会发生漂移，根据式(3)~(5)仿真分析了球心距取1mm、5mm、7.5mm、9mm和12mm时，71kHz、75kHz和79kHz三个工作频率的指向性。其中 90º 对应障板法线方向。仿真结果显示：