匹配层结构Tonpilz水声换能器的有限元分析

　　水声信号处理技术的迅速发展，需要水声换能器获取更多的目标信息。宽带水声换能器能在较宽的频带范围内进行收发工作。通常，宽频带主要反映在电导频响曲线和电压发射响应曲线上，电导响应带宽只是发射机匹配吸收电功率的半功率点带宽，而发射幅压响应带宽应至少包含如下3方面的内容: 在一定电压下吸收了多少电功率，以多少效率转化为声功率，以什么样的指向性聚集声能，因此，发射幅压响应带宽更能反映换能器的收发性能。

　　单一振动模式换能器的带宽特性常用更能客观反映宽带性能的机械品质因数Qm值来表示

　　式中: fr为谐振频率; Δf为带宽。通常纵振换能器一般很难做到Qm<3，薄圆环径向振动换能器虽能做到Qm<3，但若想再降低Qm值也很困难。只有采用多模振动的技术途径才能进一步拓宽换能器的工作频带。匹配层技术就是一种简单实用的多模拓展带宽的技术，其通过在水声换能器的前辐射端部粘结匹配材料层的方式，达到声阻抗匹配并实现多模态的目的。匹配层有两方面的作用: 一是可提高声传输特性，二是通过粘结匹配层使换能器产生二阶谐振，通过调节前两阶谐振点之间的间距与凹谷，来提高换能器的带宽指标[1-2]。本文利用有限元方法研究了匹配层材料及其结构参数与匹配效果的关系，给出了匹配层的优化设计结果，研究结果表明匹配层技术可有效拓展换能器频带。

　　1 机理分析

　　水声换能器前盖板端面粘贴的匹配层材料可使换能器在所要求的带宽范围内与声阻抗为Z0的水负载较好耦合。根据纵波在分层介质中的折射、透射规律[3]，在一维理论模型假设下，平面波经由单层匹配层折射后，声压透射系数和声强透射系数分别为:

　　当满足1/4波长全透射条件时，换能器辐射的声波经匹配层传入水中的能量最大，此时匹配层厚度为λ/4，匹配层的声特性阻抗Z1与前盖板和传输介质的声特性阻抗Zf、Z0之间的关系为

　　上述关系式仅仅在辐射面尺寸比工作波长大得多，辐射抗比较小，换能器谐振频率不因辐射抗的存在产生偏移时，才能成立。因此，有必要利用有限元方法，结合具体材料寻求匹配层最佳厚度，使换能器带宽达到最大。

　　为进一步研究匹配层技术工作机理，将含有匹配层结构的换能器各振动部件分别等效为四端网络，根据力学边界条件进行连接，并利用网络乘积原理进行简化，最后形成一端为电端、一端为机械端的四端网络，而匹配层可看作弹性体，等效为四端机械网络插在换能器前盖板辐射面与水介质之间，简化的网络等效图如图1所示。