一款高频弧形换能器

　　0 引言

　　由于光线在水中的传播衰减很大，尤其是在水下比较混浊的情况下，光学摄像机的可视距离就变得很小，甚至只有几米，不能满足使用需求。多波束图像声纳利用声波在水中传播衰减相对较小的特点，实现水下目标的探测、成像和识别，可应用于水下工程实施、浅海地貌测绘、蛙人和水雷等水下小目标探测识别等[1-3]。工作频率在几百千赫频段的高频水声换能器基阵，可在较小的体积重量下实现较高的分辨率，成为多波束图像声纳的重要组成部分。在实际应用中，为获得大的观察范围，需发射换能器具有较宽的波束和较高的声源级，所以换能器一般采用弧形换能器。高频弧形发射换能器功能元件可以是压电陶瓷环的一段圆弧、若干基元排列成的弧形阵列或者压电复合材料。由于1-3型压电复合材料具有可弯曲成型的优势，因此，现代高频换能器/基阵越来越多地选用1-3型压电复合材料[3]。

　　本文通过理论公式计算了宽波束高频弧形换能器的指向性图，阐述了其指向性特征，采用 1-3型压电复合材料，研制了一款可用于多波束图像声纳的宽波束发射的高频弧形换能器。

　　1 高频弧形发射换能器指向性特征

　　弧形发射换能器通常是指换能器辐射面在垂直方向具有一定高度，而在水平方向是一段圆弧。弧形发射换能器的水平指向性计算公式为

　　式(1)中：2m+1为弧形阵的基元数;λ表示水中波长;d为基元中心距;r为弧形辐射面的半径;α为单个基元所对应的圆心角度。

　　式(1)表明，弧形基阵的水平指向性主要由频率(波长)、辐射面半径及其对应的圆心角等参数决定。

　　图1给出了有201个基元、辐射面圆心角为101º、曲率半径为96mm 的换能器，由公式(1)计算得到的分别在200kHz、400kHz、600kHz、800kHz 频率处的水平指向性图。为了使波束内指向性起伏细节更加清晰，体现高频弧形阵换能器的指向性特征，

　　本文中指向性图均为归一化线性图。图1表明，辐射面圆弧对应的圆心角是影响换能器水平指向特性的主要因素。改变频率会引起波束开角、波束内起伏等较小变化，但是波束开角、波束内最大起伏等主要指向性特征指标均保持相对稳定。弧形换能器的水平指向性在主波束内存在连续的震荡起伏，震荡幅度由中心向两侧逐渐增大，在波束边缘处出现最大值，波束中心幅值比最大值减小1~2dB左右。主波束内震荡次数和震荡幅度主要与基元数量、波束宽度有关。主波束外有一系列旁瓣，旁瓣一般开角很小，幅值逐渐减小，使得主波束边缘成锯齿状迅速衰减，实现很好的定向发射。