高频水声换能器匹配层技术研究

卞加聪，赵 慧，沈明杰

(上海船舶电子设备研究所，上海201108)

0 引 言

随着声呐系统中水声信号处理技术的不断发展以及海洋开发的日益深入，高频声呐越来越受到人们的重视[1]。根据工作要求，高频声呐常需要宽频带工作来获取更多的目标信息和提高对目标的探测效果。高频宽带换能器是高频声呐信号产生和获取的基础，匹配层技术是拓展高频换能器带宽的有效手段[2-3]。2008年，陕西师范大学李珺等[4]通过理论和仿真计算了双匹配层参数对换能器带宽的影响；2013年，中国科学院声学所童晖等[1]研制一款单匹配层宽带换能器，带内发送电压响应起伏为-3 dB，并在2020年研制了一款宽带圆柱阵，其工作频带为20～30 kHz，带内发送电压响应起伏为-3 dB[5]；2020年，上海材料研究所张浩等[6]通过三层匹配层和背衬的设计方案研制了中心频率为 2.95 MHz，-6 dB相对带宽约为83.2%的医用相控阵换能器。虽然国内对单层和双层匹配层水声换能器的研究颇多，但对于三层匹配层水声换能器的研究还甚少。

因此，本文通过声波透射理论、Mason等效电路解析计算和有限元仿真对单层、双层和三层匹配层换能器进行了理论研究，在此基础上研制了三种高频宽带水声换能器，满足了水声换能器宽频带下的工作需求。

1 宽带换能器设计

宽带换能器主要是由背衬、压电陶瓷、匹配层和水密透声层组成。为了实现压电材料和水之间的阻抗过渡以满足宽频带的工作需求，一方面可以对压电陶瓷材料进行切割制作成复合材料，另一方面可以选择单层或者多层匹配层对压电材料进行匹配。本文将采用以上方式研制工作中心频率为100 kHz左右的不同宽频带的高频宽带水声换能器，换能器水中示意图如图1所示，图中虚线框为换能器结构。

图1 换能器水中示意图Fig.1 Schematic diagram of the transducer in water

1.1 匹配层声透射原理

匹配内声波透视示意图如图2所示。最基本的三层材料匹配理论的物理基础是声波的反射和透射理论(平面波垂直入射的情况)，结合波动方程和边界条件的方法得到匹配层的声强透射系数[7]：

图2 匹配层内声波透射示意图Fig.2 Schematic diagram of sound wave transmission in matching layers

其中：μ代表一共有几层媒质(包括压电材料和水)，v代表第几层媒质，Zv,μ代表的是μ层媒质中的第v层媒质的声特性阻抗。

1.2 匹配层材料的选取和研制

本文均采用 PZT4压电陶瓷制作中心频率为100 kHz左右的高频宽带水声换能器。为了使压电陶瓷与水有较好的匹配，采用1-3型复合压电陶瓷材料是一种常用的有效途径。1-3型复合材料一方面减少了横向振动，使纵向振动模式变得更加纯净；另一方面可获得较低的声阻抗、较宽的带宽和低机械品质因素等性能。

本文将采用对 PZT材料切割填充环氧树脂的方式来制作压电复合材料，制作的压电复合材料的声特性阻抗为 17 Pa·s·m-1，负载为水，根据式(2)可以推导出单层、双层、三层匹配层对应的声特性阻抗值，根据理论计算并结合实际研制出了与理论较为接近的实际匹配层材料的参数，如表1所示。

1.3 多种匹配层换能器仿真设计

本文根据设计好的匹配层参数对单匹配层、双匹配层、三匹配层高频水声换能器的水中声强透射系数进行了有限元仿真分析。图3是水中的换能器模型。

图3 水中的换能器模型图Fig.3 The model of the transducer in water

如图4所示，通过有限元仿真对比分析发现，不同匹配层换能器水中声强的半功率带宽的大小关系为：三层匹配层＞两层匹配层＞一层匹配层，满足了不同频带的性能要求。

图4 匹配层换能器水中声强透射系数Fig.4 The energy transmission coefficient of the transducer with matching layers

1.4 多种匹配层换能器等效电路

由于压电复合材料和水之间的阻抗失配比较明显，为了满足换能器不同宽频带的性能要求，常制作成单匹配层或者多匹配层换能器。所得到的匹配层压电复合材料换能器的静态特性如等效导纳谱等，可采用等效电路计算。其中的Mason等效电路分析和计算，可采用复合压电方程，导出考虑损耗的匹配层压电复合材料振动Mason等效电路，由此计算的等效导纳更接近实际情况[9-10]。

单层、双层和三层匹配层换能器的振动Mason等效电路可由推导给出，如图5所示。图5中虚线框内为无源材料匹配层的等效电路，可根据所需要的匹配层的数量来增加或者减少匹配层。

图5 多匹配层换能器等效电路Fig.5 Mason equivalent circuit of the transducer with multimatching layers

等效电路参数及其意义分别说明如下：

其中，C0、n、ρ、v、S、k、t分别为晶片的静态电容、机电转换系数、密度、声速、横截面积、波数和厚度，ρi、vi、Si、ki、ti分别为第i层匹配层的密度、声速、横截面积、波数和厚度，ρw、vw分别为水的密度、声速。自由振动时，认为两个力学端短路，可以计算换能器的导纳特性。

2 多种匹配层换能器样品研制与测试

根据换能器不同宽频带的实际需求并结合声透射理论、Mason等效电路和有限元仿真设计研制了三种类型的高频宽带水声换能器：单匹配层换能器、双匹配层换能器和三匹配层换能器。

2.1 换能器电导谱

通过 Mason等效电路和有限元仿真对三种类型的高频宽带换能器进行了水中导纳曲线的模拟计算、分析并与实测结果进行对比，结果如图6所示。仿真与实验结果存在着一定的差异，初步分析是匹配层的实际参数与仿真和等效电路模拟参数存在偏差所致。从图6中可以发现，随着匹配层数量的增加，其对应的电导响应工作频带也随之增加，分别为 73～135 kHz，70～153 kHz和 63～158 kHz。

图6 通过有限元仿真、等效电路分析和实验测试得到的三种类型换能器电导谱Fig.6 Conductivity spectrum of three types of transducers obtained by finite element simulation, equivalent circuit analysis and experimental measurement

2.2 换能器的发送电压响应

经有限元仿真和实际测试的三种宽带换能器水中发送电压响应曲线如图7所示。单层、双层和三层匹配层换能器的最大发送电压响应分别为140.3、139和 136.7 dB，其工作频带分别为 79～150 kHz，74～163 kHz和 66～176kHz，带内发送电压响应起伏为-6 dB。经过计算，三种换能器的中心频率分别为114、118和121 kHz，其-6 dB相对带宽分别为62%、75%和91%。实验表明：本文研制的三种类型换能器与传统的中心频率为320 kHz、-6 dB相对带宽为41.2%的单匹配层换能器和中心频率为 2.95 MHz、-6 dB相对带宽为83.2%的带有背衬的三层匹配层医学超声换能器相比，相对带宽有了明显的提高。

图7 有限元仿真和实验测试得到的三种类型换能器水中发送电压响应Fig.7 Transmitting voltage responses of three types of transducers in water obtained by finite element simulation and experimental measurement

3 结 论

本文采用声透射原理计算了换能器所需的匹配层参数并通过实验研制了和理论较为接近的实际匹配层材料，在此基础上进一步通过有限元仿真计算了三种类型换能器水中声强透射系数；其次，通过Mason等效电路和有限元分析，计算了三种类型换能器水中电导谱，并与实际测试的结果进行对比分析；最后，在此基础上研制了单层、双层和三层匹配层换能器，从测试结果可知，其工作频带分别为 79～150 kHz，74～163 kHz 和 66～176 kHz，带内发送电压响应起伏为-6 dB。实验表明，本文研制的三种类型换能器突破了传统换能器带宽窄的缺点。该工作为实现宽频带换能器在实际工作中的应用提供了方向。