河北工业职业技术大学河北石家庄 曹学文 张鹏跃 刘爽爽 孔令钊 (王红光通讯作者） 050091
摘要:超声波换能器的应用的非常广泛,目前在日常的实际生产中大部分的功能为超声波加工、超声波清洗等。换能器阵元的排列与其数量的多少会对发射阵的指向性产生很大的影响。本文探讨了单一阵元指向性与形状不同换能器的指向性在实际工艺中的区别，并通过仿真试验,展示了对于单个换能器的阵元,若尺寸大于波长,换能器能够展现出比较强的指向性，而在换能器阵列中,面积相同,换能器个数相等的矩形换能器阵比圆形换能器阵能够呈现更强的指向性。
关键词：超声换能器；指向性；研究
引言：超声波换能器是一种能量转换器件，主要功能是通过消耗自身较低的一部分能量将输入的电功率转换成超声波在传递出去，近年来,声波定向的技术正在飞速发展,目前﹐高指向性声波的获得主要是通过声学参量阵来实现的。在实际工艺的设计中，正常情况下都是通过组建换能器阵列来增强指向性，以便获得高指向性的声波，本文将讨论阵列形状与阵元数目各不同的换能器及阵元间距对换能器阵列指向性的变化。
一、单个阵元的指向性
一般情况下的声频定向系统基本要求指得就是音频信号的指向性，因为仅仅使用一个超声波换能器很难达到相应的要求,所以都是需要使用换能器阵列。而超声换能器阵列就是展示了声频传输的指向性，通过分析计算便能够得到,声频传输的指向性与换能器阵列的阵元个数，排列形式,振元的间距都有一定的关系,在设计声频传输系统时需要了解真实的工艺要求。
下图所示，通过计算，可得声线方向的单位矢量为：
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由上式可知,d/λ的比值决定活塞换能器的指向性。当d/λ=0.5、1、10、20 时,在仿真软件中计算出声波的指向性,仿真图下图所示。当λ>d 时，声波的指向性不明显﹔当λ≈d 时,声波呈渐强的指向性;随着λ<d ,声波的指向性已很明显。因此,阵元尺寸与声波波长的比值合理是确保单个阵元高指向特性的关键。在确定了换能器阵元尺寸后﹐发射尽量高的声频波可以获得更好的指向性。
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二、将圆形、矩形换能器的指向性进行对比
1、圆形换能器阵列
有图可知，
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假设一共圆环共有M个,通过计算得整个圆形阵的指向性函数：
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设圆环数为4,外环半径取值为d1=7.5 cm,每个换能器阵元的直径为1.2 cm,由于工艺的限制﹐要求换能器阵元间的间隙不小于0.2 cm。设外环换能器个数为N1,则：2×x×0.075>0.014×N,得N≤33,取N=23,此时阵元间距约为 l cm。同理,取d2=5.2 cm,N2=16;d3=3.0cm,N3= 9; d4=0，N4=1。阵元总数N1+N2+N3+N4=49。通过软件进行仿真可知指向性如下图，
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2、矩形换能器阵列
为提高换能器的指向性可组合成间距相等的矩形换能器阵列，可知如下：
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对于结构上相对来说比较复杂的阵列指向性函数，通常是通过乘法定理与加法定理组合而成的。上图为多个相同圆形活塞换能阵组合而成的圆形活塞式矩形换能器阵。取与圆形面积相同的矩形,阵列直径取13.4 cm,而换能器阵元的直径为1.2 cm,由于间隙不能小于0.2cm。所以，M≤134÷14,也就是 M≤9，取M=N=7，共 49 个阵元，在仿真软件中模拟结果如下图，
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综上所述，在相同面积且换能器阵元的个数均相同的圆、矩形阵列中﹐圆形阵列所发射声波的主瓣比较尖锐,而矩形阵明显比圆形阵中的旁瓣要小,但由于圆形发射阵的最大值达到0.35,矩形发射阵的旁瓣最后能够收敛，而圆形发射阵的旁瓣衰减相对于矩形阵较慢。
3、讨论阵元间距是否存在影响
若n=2时矩形阵列的指向性仿真结果如下图所示。由图可知,当b/λ<0.5时,有效的抑制了旁瓣;当b/λ>0.5时﹐出现了旁瓣。因此,从理论上可推断,确保换能器阵元间距不大于λ/2是抑制旁瓣的重要手段。
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若将超声波频率定为25-40 kHz,则波长λ=8.5≈13.6 mm。换能器阵元的直径为0.42 cm，通过谐振频率可知，当阵元间距为b≤λ/2=0.425 mm时，矩形换能器阵便不产生旁瓣,但换能器阵元壁厚度约为0.15 mm,这样阵元间将会彼此干涉，没办法布置换能阵。所以,当b>0.725 mm时，换能器阵元间才能够做到互不干涉,但这样操作便会产生旁瓣。通过添加换能器阵元个数的方法就可以减少旁瓣的幅值。当n=2、10、40 时,结果如下图所示。若n=2﹐则产生比较大的幅值﹔若n=10,虽旁瓣数量增加,相对幅值已相对变小﹔若n=40 ,声波展现出非常强的指向性。所以，提高指向性、抑制旁瓣可通过增加阵元个数的方法。
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结束语：
随着如今科学时代的发展，超声波换能器的功能也在逐渐完善，因此，如果想要提高单独换能器的指向性需要合理的选择换能器阵元尺寸，在阵元数量已知的条件下,通过使用矩形的换能器，其指向性明显优于面积相等圆形阵。在理想情况下，若阵元间距极小可便能够防止旁瓣产生,但会关系到阵元尺寸干涉的问题,实际工艺中难以避免，若此时想获得高指向性，则可通过增加阵元个数的手段来抑制旁瓣。
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