用1-3压电复合材料设计低旁瓣水声换能器

　　随着研究、开发和利用海洋资源形势的迅猛发展,海洋测绘、调查声呐产品的开发和研制已经成为热点,各种类型的多波束声呐和侧扫图像声呐层出不穷,它们正在成为人类探测海洋的必备工具。目前,大多数的多波束声呐(如美国RESON公司的SeaBat系列产品),它们的波束形成和旁瓣的控制是用电子线路的手段实现的,需要通过附加电路对换能器基阵的各路阵元进行相位和幅度加权,它的规模、功耗、复杂程度将随着阵元数的增加而增加,而设备的可靠性和稳定性必然随之降低。也有些产品独辟蹊径,在换能器上实施低旁瓣波束控制从而可以大大精简声呐的干端设备(如电子加权网络和电子移相网络等)。美国Odom公司的ECHOSCAN多波束回声声呐就是典型的例子,它采用0.5mm厚的PVDF压电薄膜作为换能材料,对换能器的形状进行了加权控制[1],使换能器的旁瓣大为抑制,最大旁瓣仅-28dB(见图1)。PVDF压电薄膜振动模式单纯,非常适合用来制作形状加权的换能器,它还有质量密度低、声阻抗低等优势,但是其缺点也是比较明显的,灵敏度不高、换能器工艺性差、材料稳定性较差等,而且目前国内制作的0.5mm如此厚的PVDF压电薄膜的工艺还不很成熟。近年来,国内外对1-3压电复合材料的研究不断深入,许多工艺上的制约因素已经解决,其诸多性能优势已得到充分地肯定,本文就以海鹰集团研制的1-3压电复合材料为换能材料,在设计过程中通过控制换能器的辐射面的形状来对换能器实现窗函数加权,使换能器的旁瓣级得以有效抑制,测量结果与ECHOSCAN进行比较。

　　1　1-3压电复合材料

　　压电复合材料最早出现在美国宾西法尼亚大学,它是由压电材料(一般为压电陶瓷)和高分子聚合物按特定的相结构复合而成,可分为0-3,2-2,1-3,3-3等10种复合结构[2]。其中1-3压电复合材料(图2)是在性能方面最为突出的1种。

　　1-3压电复合材料与传统的纯压电陶瓷材料相比有不少显著优势[2-8]:振动模式单纯;机电能量转换系数高,dh·gh值可以达到纯压电陶瓷材料的10倍以上;质量密度低、声阻抗低,易于与水、人体组织等声匹配;介电常数Es应在1个较宽的范围内可调;容易实现大面积压电材料的制造;容易加工成曲面形状以实现波束的聚焦和控制等。正是借助这些优势,可用它来实现换能器的形状加权获取低旁瓣的理想波束。

　　2　平面连续声系统的波束特性

　　形状加权的换能器选用1-3压电复合材料的厚度振动模式,属于平面连续声系统。S是1个任意形状的平面连续声系统(如图3),在计算它的远场声场时,即观察距离大于D2/λ时(D为S的最大线度尺寸,λ为波长),可以假设它是由n个单位面积的小面元dS组成,每个dS面元可以看作是1个小振元。波动声学将声波描述成从振元发出的球面波,波前的每1点被认为是有一定振动幅度和相位的2级子波,整个连续的平面声系统所产生的辐射声场就是这些子波的叠加[9]。若单位振元的振幅pm相同,为第i个振元的相位(为振元位置和平面声波入射角Ψ和θ的函数,它包括初始相位与声程差2部分,在这里假设振元平面是做均匀的活塞振动,不考虑初始相位),则第i个振元所产生的声压dpi可表示为: