Page 153 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 刘乃滔等： 相控型圆管换能器产生螺旋声场的仿真与实验分析 149

波进行水下目标探测奠定了基础。
0 引言
1 螺旋声波产生的基本理论
与多波束声呐、侧扫声呐以及合成孔径声呐等
传统的图像声呐相比，螺旋波声呐通过处理单个接 1.1 激发螺旋声波的基本原理
收信道来获取目标的距离以及方位信息，从而估计 1.1.1 两种产生螺旋声场方法的介绍
目标在空间中的位置，因此其所需的硬件以及数据
产生螺旋声场的换能器通常有两种，分别为
采集的复杂度大大降低，声呐系统的体积和质量也
引言中介绍的物理螺旋换能器以及相控型换能器。
将大大降低，可将其应用于水下无人航行器的避障
具有螺旋形状的物理螺旋换能器仅需要一种激励
以及蛙人探测等场景，对于轻量化水下目标探测有
信号就可以产生螺旋声波，螺旋的偏置决定了激
着重要的意义。国外研究人员已经设计出可用于水
发螺旋声波的波长或波长的整数倍，所以这也决
下导航及目标探测的螺旋波声呐系统，而国内对可
定了其频率不能在小范围内进行调整，除此之外，
应用于水下目标探测的螺旋波声呐的研究基本处
在螺旋的偏置方向，声场中声压相位 -方位角曲线
于空白，所以，设计出一种可用于水下目标探测的螺
起伏较大，线性对应度不是很好；在相控型换能器
旋声波换能器有着重要的意义。
中，需要用多组信号对圆管换能器的不同部分施
70多年前，研究人员就已经利用螺旋电磁波实
加不同相位的电压进行激励，这样的相控阵系统虽
现了对飞机的导航，基于类似的原理，利用螺旋声
然在一定程度上增加了系统的复杂性，但其产生的
波也可以实现对水下目标的导航及定位。2008 年，
声场中声压相位 -方位角的线性对应度更高，所以，
Dzikowicz [1] 提出了将能发射螺旋声波的圆管换能
牺牲一部分系统简单性可以产生更高质量的螺旋
器与能发射同心圆声波的圆管换能器相组合，用
声场，从而提高了系统的性能，综合考虑后，相控
于水下航行器的导航中，并申请了专利；2011 年，
型换能器更有优势。因此，本节主要围绕相控型圆
Hefner 等 [2] 设计了两种能产生螺旋声波的换能器，
管换能器产生螺旋声场的原理进行说明以及公式
一种是将 1-3 型压电材料包裹在螺旋支架上的物理
推导。
螺旋换能器，另一种是通过径向极化压电圆管的
相控式激励来实现螺旋声波产生的相控型换能器。 1.1.2 不同阶数螺旋声场的产生方法及分析
2012 年，Dzikowicz 等 [3] 利用螺旋声波信标以及一 螺旋圆管的每一部分，可以近似为点声源，要
个水听器就实现了水下的导航，相比于传统的水下 想形成螺旋声场，需要的最少点声源数量为 2µ + 1，
导航系统，其硬件设备以及后续信号处理的复杂度 其中 µ 为螺旋声场的阶数，也叫做螺旋声场的拓扑
更低，因此也更加简单、方便、易于使用，为水下 荷数。µ 阶螺旋声场中，一个圆周上声压相位与方
定位以及小型水下无人平台的导航提供了更广阔 位角是线性对应的关系，且声压相位的变化速率是
的应用前景。2018 年，Lu 等 [4] 设计了一款纵向振 方位角的 µ 倍。图 1 为拓扑荷数分别为 0、1、2 时在
动元件组成的换能器，可以成功地产生螺旋声波， x-y 平面上产生的声场。其中，当拓扑荷数为 0 时，
并通过实验检测了其产生螺旋声波的质量，验证 产生的是同心圆声场；当拓扑荷数为1 时，产生的是
了其可以产生质量较高的螺旋声波。2019 年，Lu 一阶螺旋声场；当拓扑荷数为 2 时，产生的是二阶
等 [5] 设计了三个球形换能器用于产生螺旋声波，与 螺旋声场。
类似的螺旋声源相比，所提出的声源需要的换能 但螺旋声场的阶数每增加 1，声场的声压幅值
器数量最少，也可用于水下目标的定位。2019 年， 会下降 1∼2 个数量级。因此，在设计能产生螺旋声
Dzikowicz 等 [6] 利用螺旋声呐系统 (由螺旋源与参 场的换能器时，首先考虑能产生一阶螺旋声场的结
考源组成)，设计了水池实验，实现了对水下目标 构，若按所需最小点源数来考虑，则需要 3 个点声
的定位。 源，即需要将圆管换能器分为三部分，这样的话，需
本文根据螺旋声波的产生原理，设计了一个相 要 3 个激励信号以及 3 个功率放大器才能激励换能
控型圆管换能器，通过仿真以及水池实验分析，验证 器产生螺旋声波；若设计为 4 个点声源，即需要将
了该换能器可以产生螺旋声波，为后续利用螺旋声 压电圆管换能器分为四部分，即两对相位差为 90 ◦