一种高频宽带大尺寸的圆柱换能器的设计方法

　　本文介绍一种收发共用型高频宽带大尺寸的圆柱换能器的设计方法。该圆柱换能器在尺寸方面受到限制：要求内径尺寸大，内孔要求不小于100mm，高度不大于100mm;性能上的要求为：频率范围在100kHz±30kHz，无指向性，频带范围内灵敏度值大于−202dB，发射响应值大于145dB。通过几个方案的比较，最终确认了一种由陶瓷颗粒拼接而成并采用匹配层的技术方法来实现。

　　1 设计方案

　　无指向性换能器我们通常会选择径向极化的陶瓷圆管来制作，而径向极化的陶瓷圆管在高频段上的发射、接收响应值都较小，这是因为对于这个尺寸的陶瓷管，它是远离谐振点工作的。所以，采用单个径向极化的陶瓷圆管来实现是不能满足技术指标的要求的。要选用在谐振点工作的径向极化的陶瓷圆管，灵敏度值可以满足指标要求。但是陶瓷圆管的尺寸很小，也不满足尺寸指标的要求。考虑到指标要求收发共用、高频、大尺寸，所以我们设计用n个压电陶瓷颗粒布成一个圆柱换能器阵，见图1。我们利用压电陶瓷颗粒的纵向振动模式进行工作，假设所有陶瓷颗粒都做相同的一维纵向振动，且颗粒之间的一致性较好，因此可以认为颗粒辐射面处的振速是均匀的，且等于所有陶瓷颗粒施加的力。由于陶瓷颗粒电路并联后会使静态电容增大n倍，因此由n个陶瓷颗粒并联而成的换能器化简后的等效电路如图2所示。由于压电陶瓷颗粒实际上的一致性不能保证，而且加工装配也会带来不一致性，不一致性会对水平方向的指向性造成影响。为了减少这方面的影响我们添加了一层匹配层，通过选择合适的厚度及材料，可以降低换能器的声速，提高与水的匹配性能，实现宽带能量传输，也可以使换能器的水平指向性更加圆滑。匹配层的等效电路图见图3，这样可以用四端网络法计算换能器响应特性。

　　2 Matlab仿真

　　通过Matlab软件，采用四端网络法进行颗粒型圆柱换能器阵的阻抗曲线(图4)、发射电压响应曲线(图5)和接收响应曲线(图6)的模拟计算。

　　通过调整陶瓷颗粒的尺寸和匹配层的参数，最终，确定了压电陶瓷颗粒的尺寸：4mm×4mm×9mm，匹配层厚度3mm。计算时，假设颗粒型圆柱换能器阵的压电陶瓷颗粒的数量为300。

　　3 方案实施及结果分析

　　我们实际制作了一个每层32颗压电陶瓷颗粒，共10层的颗粒型圆柱换能器，颗粒安装在基阵换能器架中，在颗粒的外层整体灌注一层3mm 厚的匹配层，再整体灌封一层聚氨酯。以下是实测的指向性曲线(图7、图8)、阻抗曲线(图9)、发送电压响应曲线(图10)和接收响应曲线(图11)。测试数据中，我们分析实测值和计算值的差异。首先，水平指向性，图7显示圆柱换能器在80kHz的水平指向性的起伏是在3dB之内的，而图8的90kHz 的水平指向性起伏则超出3dB了;其次，导纳曲线，实测和计算相对比，第一个谐振频率对应上了，第二个谐振频率则差了将近10kHz，且电导值实测的也低了2ms左右;再次，发送电压响应曲线，实测和计算相比较，响应值是差不多的，起伏上实测要比计算的大4dB左右;最后，接收响应曲线，实测和计算相比较，响应值在115kHz以后下降的较快，且起伏上实测的要比计算的大5dB左右。