一款低頻偶極子聲源設(shè)計

楊斌穎 王艷 付昌

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

低頻聲波具有較低的傳播損失，因此在遠(yuǎn)距離水聲通信和目標(biāo)探測等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢。為了獲得較高的信噪比和探測分辨率，通常要求聲源具有一定的指向性，然而低頻換能器實現(xiàn)指向性發(fā)射是當(dāng)前換能器設(shè)計面臨的一大難題[1-2]。常用的低頻聲源包括彎張換能器、彎曲圓盤換能器、動圈換能器、Helmholtz 換能器、圓環(huán)換能器等，低頻發(fā)射時由于波長很長，衍射效應(yīng)明顯，當(dāng)換能器的尺寸滿足ka＜1 時，通常在空間上不呈現(xiàn)指向性[3-4]。

在低頻換能器的指向性發(fā)射方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Stephen C Butler 等將 IV 型彎張換能器內(nèi)部的振子分為兩組，通過改變兩組振子施加電壓的比例和相位，就能實現(xiàn)多種單向指向性[5-6]；之后將這一原理用于VII 型彎張換能器，同樣實現(xiàn)了指向性發(fā)射[7]。國內(nèi)杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所的夏鐵堅等參照上述理論，研制出一款450 Hz 的指向性彎張換能器[8]。此外，雙端開口的Helmholtz 換能器、溢流圓環(huán)換能器在其兩個輻射口滿足一定間距/波長的情況下，利用其輻射聲波在遠(yuǎn)場疊加能形成“8”指向性。Rossby T 等利用壓電圓環(huán)驅(qū)動雙端開口的Helmholtz 共振腔，在諧振頻率處實現(xiàn)了“8”形指向性[9]；哈爾濱工程大學(xué)的桑永杰等利用彎曲圓盤驅(qū)動雙Helmholtz 共振腔同樣得到了“8”形指向性，并研究了不同腔體長度對指向性的影響[10]。上述低頻換能器的指向性發(fā)射技術(shù)與輻射面間距/波長有關(guān)，由于輻射面的位置關(guān)系是固定的，因此只能在特定的頻率形成理想指向性，這將給換能器的應(yīng)用帶來極大不便。因此，本文研究一款能調(diào)節(jié)輻射面間距/波長的換能器以滿足不同發(fā)射頻率對指向性的需求。

將兩個無指向性的低頻換能器組合成偶極子聲源，研究了不同布放間距、基元指向性起伏、基元相位一致性對偶極子聲源指向性的影響。通過合理的調(diào)節(jié)間距/波長，設(shè)計了一款較為理想的偶極子聲源。

1 工作原理

偶極子聲源由兩臺低頻換能器基元和一個間距可調(diào)的支架構(gòu)成，如圖1 所示。在換能器的工作頻帶內(nèi)，根據(jù)使用頻率調(diào)節(jié)兩臺換能器間距和輸入信號的幅值、相位，使得兩臺換能器的輻射聲波幅值相等相位相反，利用聲波在遠(yuǎn)場疊加可以形成較為理想的“8”字形指向性。

圖1 偶極子聲源結(jié)構(gòu)示意圖

兩臺換能器的尺寸遠(yuǎn)小于波長，以至于可以將其等效為點源。當(dāng)其輻射聲波幅值相同相位相反，且布放間距滿足 ＜1kL 時，遠(yuǎn)場輻射聲壓滿足[11]：

式中，k 為波數(shù)，A 為換能器等效聲中心1 m 處聲壓幅值，L 為換能器基元間距，r 為水聽器與聲源距離，θ 為換能器聲中心連線與水聽器連線夾角。在θ =±90°方向上，兩臺換能器聲壓相互抵消，合成聲壓為極小值。在θ=0°、180°方向上，兩臺換能器輻射聲壓和相位都近于相等，聲壓相互疊加，合成聲壓為極大值。其指向性特性為

考慮到兩臺換能器基元的發(fā)送電壓響應(yīng)并非完全一致，因此還需要對換能器的輸入電壓進(jìn)行校準(zhǔn)。設(shè)兩臺換能器的發(fā)送電壓響應(yīng)分別為Sva、Svb，輸入電壓分別為Va、Vb。為了使兩臺換能器基元的發(fā)射聲源級一致，輸入電壓Va、Vb需滿足：

2 理論計算

2.1 指向性起伏

換能器基元的輻射聲壓隨角度存在一定起伏，即指向性并非完美的全向，這將導(dǎo)致兩臺換能器基元在某些方位輻射聲壓幅值不等。我們假設(shè)換能器基元a 的輻射聲壓在某一方位為極小值，且輻射聲壓隨角度均勻變化，換能器基元b 為完美的全向換能器，通過計算可以得到在不同布放間距下、單個換能器基元的指向性起伏對偶極子聲源指向性的影響。圖2 為基元間距λ/5 時，當(dāng)換能器基元a 的輻射聲壓極小值分別出現(xiàn)在0°、180°、270°（與90°對稱）時偶極子聲源指向性隨基元指向性起伏的變化情況，左側(cè)圖為換能器基元a、b 的指向性方位關(guān)系，右側(cè)圖為不同起伏大小時偶極子聲源的指向性。

圖2 間距λ/5 偶極子指向性隨基元指向性起伏變化

考慮到當(dāng)發(fā)射頻率很低時，聲波波長很長，即便采用λ/5 間距布放，整個聲源的尺寸也將非常龐大。因此需要考慮布陣間距更小的情況下，對偶極子聲源指向性的影響。圖3 為基元間距為λ/10 時，當(dāng)換能器基元a 的輻射聲壓極小值分別出現(xiàn)在0°、180°、270°（與90°對稱）時偶極子聲源指向性隨基元指向性起伏的變化情況，同樣左側(cè)圖為換能器基元a、b 的指向性方位關(guān)系，右側(cè)圖為不同起伏大小時偶極子聲源的指向性。

圖3 間距λ/10 偶極子指向性隨基元指向性起伏變化

由以上結(jié)果可以看到，在同樣的基元布放間距下，當(dāng)基元指向性的極小值出現(xiàn)在0°和180°方向時，對偶極子聲源指向性的影響較?。欢?dāng)極小值出現(xiàn)在90°或270°時，會導(dǎo)致偶極子聲源指向性凹點不對稱，且基元指向性起伏越大，對偶極子聲源的指向性影響越大；在同樣的基元指向性起伏下，基元布放間距更大時能夠獲得更好的偶極子指向性，但這需要付出聲源總體尺寸增加的代價。

2.2 相位一致性差異

即便換能器的輸入信號相位一致，換能器的輻射聲波也可能存在相位差，下面我們將計算不同布放間距下，由于基元相位一致性差異對偶極子聲源指向性的影響。圖4 為基元間距為λ/5 時，偶極子聲源指向性隨基元相位差的變化情況。隨著基元相位差增大，偶極子聲源指向性的極大值差異越大，即指向性圖呈現(xiàn)出“大小頭”?？梢钥吹?，當(dāng)基元相位差由5°增加到 20°時，偶極子聲源指向性的極大值差異由0.5 dB 增加到了4 dB。

圖4 間距λ/5 偶極子指向性隨基元相位差變化

將基元間距縮小為λ/10 時，偶極子聲源指向性隨基元相位差的變化情況見圖5。當(dāng)基元相位差由5°增加到20°時，偶極子聲源指向性的極大值差異由3 dB 增加到了10 dB，呈現(xiàn)出更為明顯的“大小頭”。隨著基元布放間距減小，偶極子聲源指向性對基元相位差更為敏感。而基元相位差往往較難測量，為了降低其對偶極子指向性的影響，應(yīng)在可接受范圍內(nèi)適當(dāng)增加布放基元間距。

圖5 間距λ/10 偶極子指向性隨基元相位差變化

3 測試結(jié)果

為了獲得更好的試驗效果，選用一致性較好的兩只彎曲圓盤換能器作為偶極子基元，單只換能器的指向性起伏小于0.7 dB。在消聲水池對偶極子聲源的指向性進(jìn)行了測量，測試頻率為1 kHz。

3.1 指向性起伏

基元指向性起伏對偶極子聲源指向性的影響主要是由于基元輻射聲壓幅值的差異造成的，測試時可通過人為調(diào)整基元輻射聲壓的大小來模擬。圖6 為基元間距為λ/5 時偶極子聲源測量得到的指向性圖。當(dāng)基元輻射聲壓一致時，偶極子聲源指向性凹點深度為-20.8 dB；當(dāng)輻射聲壓相差2 dB 時，偶極子聲源指向性凹點深度為-13.7 dB，變化趨勢與理論計算結(jié)果一致。

圖6 間距λ/5 偶極子指向性隨基元聲壓差值變化

圖7 為基元間距為λ/10 時偶極子聲源測量得到的指向性圖。當(dāng)基元輻射聲壓一致時，偶極子聲源指向性凹點深度為-16.2 dB；當(dāng)輻射聲壓相差2 dB時，偶極子聲源指向性凹點深度為-12.5 dB。

圖7 間距λ/10 偶極子指向性隨基元聲壓差值變化

通過以上測量結(jié)果可以看到，在同一布放間距下，基元聲壓幅值相差越小，偶極子指向性凹點越深；當(dāng)基元輻射聲壓差值一致時，基元間距大的偶極子指向性凹點更深。

3.2 相位一致性差異

雖然直接測量換能器的相位一致性較為困難，但輸入信號相位一致時，兩只換能器基元之間的相位差是一個固定值。本文只討論了相位差一定的情況下，當(dāng)基元間距變化時偶極子聲源指向性的變化情況。圖8 為不同基元間距下偶極子聲源的指向性測量結(jié)果。當(dāng)基元間距由λ/5 減小到λ/10 時，偶極子指向性凹點由-20.8 dB 到-16.5 dB，但指向性“大小頭”無明顯變化。原因是基元的相位差值較小，當(dāng)布陣間距變化時，指向性圖依然能獲得較好的對稱性，這也與理論計算結(jié)果較為吻合。

圖8 偶極子指向性隨基元間距變化

對于本文選用的換能器基元，采用λ/5 間距布放已能獲得較好的偶極子指向性。根據(jù)圖8 測量結(jié)果，在基元輻射聲壓一致的情況下，偶極子指向性極大值差值小于0.5 dB，凹點深度大于21 dB。

4 結(jié)論

本文研究了偶極子聲源指向性的影響因素，并進(jìn)行了試驗測試，得到如下結(jié)論：

（1）在同一基元間距下，換能器基元輻射聲壓幅值差異越小，偶極子指向性的凹點越深。

（2）偶極子聲源指向性對90°和270°方向的基元指向性起伏更為敏感。

（3）在同一基元間距下，基元相位一致性越差，偶極子指向性的“大小頭”越明顯。