由小振子组成的高频圆柱换能器宽方向性初探

　　随着对海洋资源勘探、开发和利用的深入，各种海洋探测的高频声学设备如多波束声呐、图像声呐、导航声呐等，越来越受到各国海洋界的重视。本文主要对高频声呐发射换能器的方向性开展一些粗浅的计算分析。在许多海洋声学仪器中，一方面要保证设备具有较高的分辨率，同时要求设备具有较高的作业效率。因而在许多声学设备中，发射换能器或发射基阵常常设计成宽波束，以便覆盖较大的空间范围[1];而接收换能器或接收基阵则常常设计成为窄波束，采用电子波束扫描来实现空间覆盖。同时为了保证声学设备具有较大的作用距离，常常要求发射换能器或发射阵具有较高的声源级，因此发射阵的尺寸不能太小。综上所述，许多声学设备对发射阵的要求常常是尺寸较大(相对工作波长而言)，声源级较高，但方向性很宽。因此问题的本质是大孔径阵的宽方向性问题。解决这个问题最简单的换能器阵型是旋转体阵形，如要解决一维宽方向性问题可以采用圆柱阵形;要解决二维宽方向性问题可以采用球形阵。本文采用最简单的圆柱阵形对宽方向性的形成加以研究，其他复杂阵形所遇到的问题具有一定的类似性。

　　1 宽方向性圆柱阵的实现

　　本文中采用有限元软件ANSYS 对由小振子组成的圆柱阵水平方向性进行了建模分析。由于我们只研究圆柱换能器的水平方向性，为了减小有限元软件的计算规模，我们只对一层圆环进行建模分析，所建立的模型如图1所示。在模型中，我们首先假定在圆周方向上由多个小振子组成，小振子之间的缝隙采用去耦胶进行填充，在压电陶瓷小振子的后背和上、下均有反声材料进行包覆。在图中压电陶瓷小振子如图中的红色部分所表示，压电陶瓷之间的去耦胶如紫色部分所示，反声包覆材料如蓝色部分所示。压电陶瓷小振子的工作频率为其厚度振动的基频，为了保证其厚度振动基频比较单一，小振子的长和宽的尺寸比其厚度小一倍以上。计算时我们首先假定，每个小振子振动为理想状态，每个小振子相、幅完全一致，并且每个小振子都位于圆柱的圆周上。此时，换能器的水平方向性如图2所示。从图中可以看出，在理想情况下换能器在水平面内的方向性是一个理想的圆，可以实现换能器的宽方向工作。

　　2 不一致性对水平方向性影响

　　在本文中，小振子是由一块压电陶瓷大片经切割而成的。在这个过程中，压电陶瓷大片尺寸的偏差、性能的均匀性、以及加工切割的精度都会影响到小振子性能的一致性。我们采用有限元软件对上述换能器的指向性进行分析，并且在计算模型中考虑了小振子之间振动的不一致性。将不一致性分为幅度和相位不一致性，并且认为这种不一致性对各个小振子而言都是随机的。