一款宽带圆柱阵研究

童 晖，周博文，张 彬，杨长庚，王佳麟，赵 欣

(中科院声学研究所东海研究站，上海 201815)

0 引 言

现今各国在军事与民用领域中，对海洋的开发力度持续加大，随着海洋开发的日益深入，水下目标探测[1]的相关技术越来越受到人们的重视，水下目标包括如鱼群、蛙人、潜航器、水下障碍等。圆柱换能器阵[2]具有水平全向、垂直开角可控等优点，广泛应用于水声探测及通讯领域。错位密排阵列换能器是指在不缩小基阵孔径且保持波束开角等性能的条件下，减少阵元数目，有利于减少电子部件数量。本文介绍一款宽带圆柱阵换能器，以复合棒阵元[3-4]为基础，通过匹配层技术[5]优化设计圆柱阵阵元的带宽[6]、发送电压响应，同时以错位密排布阵技术实现192元宽带圆柱阵。

1 圆柱阵指向性理论分析

图1中描绘了本文中所用的这一类型圆柱换能器阵，坐标原点位于圆柱阵第一层的中心。该阵是以一种相邻母线错位排列的密集阵列方式布阵，基阵半径为R，高度为H，圆柱阵共M层(图1中M=12，圆周均匀分布同一高度阵列定义为一层)，每层N个阵元，相邻错位排列阵元高度间距为d，d=H/(M−1)，圆周相邻两个阵元圆心角为α=2π/N，圆柱阵指向性函数推导如下[1-2]。

圆柱点源位置矢量为

入射声波单位矢量u可表示为

第m层第n个阵元与参考点的相位差为

其中：k=ω/c，为水中波数；ω为角频率；c为水中声速。

通过声程差计算出点源圆柱指向性函数为

图1 圆柱阵的阵元排列模型Fig.1 Element arrangement model of the cylindrical array

2 宽带圆柱阵有限元仿真

2.1 宽带圆柱阵基元仿真

利用ANSYS有限元仿真软件建立复合棒换能器模型，同时在复合棒换能器辐射面前增加匹配层材料。……