[發(fā)明專(zhuān)利]多模寬帶圓弧陣換能器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210162929.5
• 申請(qǐng)日: 2012-05-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102662166A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦雷;王麗坤;路宇;蔡大可
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京信息科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S7/523
• 分類(lèi)號(hào): G01S7/523;G01S7/524;G01S7/526
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 李稚婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬水聲探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用寬帶換能器的壓電復(fù)合材料的壓電效應(yīng)發(fā)射和接收水聲信號(hào)而實(shí)現(xiàn)水中探測(cè)的換能器，可廣泛用于水下通信、探測(cè)、目標(biāo)定位、跟蹤等，是聲納使用的重要部件。

背景技術(shù)

水聲換能器是將聲能和電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的器件，其地位類(lèi)似于無(wú)線電設(shè)備中的天線，是在水下發(fā)射和接收聲波的關(guān)鍵器件。水下的探測(cè)、識(shí)別、通信，以及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋資源的開(kāi)發(fā)，都離不開(kāi)水聲換能器。換能器可分為發(fā)射型、接收型和收發(fā)兩用型。將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成水聲信號(hào)，并向水中輻射聲波的換能器，稱(chēng)為發(fā)射換能器，發(fā)射換能器要求有比較大的輸出聲功率和比較高的電聲轉(zhuǎn)換效率。用來(lái)接收水中聲波信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的換能器為接收換能器，也常稱(chēng)為水聽(tīng)器，對(duì)接收換能器則要求寬頻帶和高靈敏度。既可以將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，又可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，用于接收或發(fā)射聲信號(hào)的換能器稱(chēng)為收發(fā)換能器。

聲納是水聲探測(cè)的重要設(shè)備。現(xiàn)行提高聲納性能的重要途徑之一是拓展換能器的頻帶寬度。較寬的工作頻帶可提高換能器信號(hào)處理的增益，因?yàn)閷拵盘?hào)相干處理，可使系統(tǒng)獲得很高的增益和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離；寬帶信號(hào)脈沖壓縮，可提高換能器基陣的分辨率。而現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)要求換能器陣基元必須具有足夠的帶寬，否則將會(huì)造成信號(hào)失真或影響信號(hào)處理的效果。

目前寬帶換能器的典型需求是前視多波束聲納，通常安裝在獵雷艇船鼻艏，采用弧狀復(fù)合材料基陣構(gòu)成圓弧陣換能器，用于廣角探測(cè)前方水雷等破壞性目標(biāo)。這種換能器基陣對(duì)換能器帶寬提出了較高要求。

現(xiàn)行的拓寬換能器帶寬的方法主要有兩種(徐鈞，俞宏沛，李建成，縱振換能器拓寬頻帶的方法綜述，聲學(xué)與電子工程，Vol?72(4)：17-21，2003)：(1)降低換能元件的機(jī)械品質(zhì)因素(Q值)，(2)換能器元件采用振動(dòng)耦合。基于單模(單一諧振頻率)工作的換能器，其帶寬特性是通過(guò)機(jī)械Q值來(lái)表征，Q＝fr/Δf(fr為諧振頻率，Δf是電導(dǎo)響應(yīng)下降3dB的頻帶寬度)，Q值越低，帶寬Δf越大。機(jī)械Q值寫(xiě)成Q＝ωMR(其中ω為圓頻率，R為換能器的輻射阻，為機(jī)械損耗阻和電損耗阻之和，而M為換能器的等效質(zhì)量)。很明顯換能器要降低Q值獲得寬頻帶，需增加R阻值，最有效的辦法是增大換能材料的損耗。一種常用的方法是在傳統(tǒng)壓電陶瓷中加入柔性聚合物，增加材料的損耗，降低Q值，如近30年出現(xiàn)的壓電復(fù)合材料(E.Koray?Akdogan，Mehdi?Allahverdi，Ahmad?safari，Piezoelectric?Composite?for?Sensor?and?Actuator?Application，IEEE?Transactions?on?Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and?Frequency?Control.Vol?52(5)：746-773)，它在壓電陶瓷中加入環(huán)氧樹(shù)脂、橡膠等聚合物制成低Q值、低聲阻抗、高機(jī)電耦合的復(fù)合材料，尤其是1-3型復(fù)合材料現(xiàn)已廣泛用于寬帶換能器的制作(陳俊波，王月兵，仲林建，1-3型壓電復(fù)合材料和普通PZT換能器性能對(duì)比分析，聲學(xué)與電子工程，Vol?87(3)：25-27，2007)。

基于振動(dòng)耦合拓寬頻帶的基礎(chǔ)是多模態(tài)耦合理論(張文波，王明洲，郝保安，一種多模寬帶水聲換能器的設(shè)計(jì)，魚(yú)雷技術(shù)，Vol?16(2)：31-33，2008)。通常一個(gè)換能器振動(dòng)系統(tǒng)存在多種模態(tài)，如果能夠使換能器振動(dòng)系統(tǒng)的2種或2種以上振動(dòng)模態(tài)相互靠近并耦合，在較寬的頻率范圍內(nèi)同時(shí)工作，或通過(guò)調(diào)節(jié)一種模態(tài)的高次倍頻與另一種模態(tài)的基頻耦合，則將形成復(fù)合多模振動(dòng)，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)壓電振子的結(jié)構(gòu)，使相鄰兩振動(dòng)模對(duì)應(yīng)的兩個(gè)諧振頻率合理分布，即兩模態(tài)對(duì)應(yīng)的阻抗頻譜曲線峰值下降3dB相交，如圖1所示，即能有效地拓展換能器的工作帶寬(Qingshan?Yao?and?LeifBroadband?Tonpilz?Underwater?Acoustic?Transducers?Based?on?Multimode?Optimization，IEEE?Transactions?on?Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and?Frequency?Control，Vol?44(5)：1060-1066，1997)。圖2為雙模耦合換能器的響應(yīng)曲線，縱軸為換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)(TVR)，f₁為換能器縱向振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率，f₂為換能器彎曲振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率，顯然疊加后曲線的頻帶得到大幅度擴(kuò)展。